Aquatic Functional Materials
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A u g u s t 202２

No. 13

文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究 （研究領域提案型）（No. 6104）令和元年-5年度

水圏機能材料：環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成

第 12 回 CSJ 化学フェスタ 2022 において公開企画を開催します
開催日：2022 年 10 月 19 日（水）− 20 日（木）会場

：タワーホール船堀 A 会場（5F 小ホール）( 東京都江戸川区船堀 4-1-1)

主催：「水圏機能材料」総括班、公益社団法人日本化学会

本新学術領域研究では、「水」の存在下において環境と調和・相互作用しながら機能を発現する材料を「水圏機能材料」と定義し、「水」と「材料」の相互作用を分子レベル・ナノ集合レベルでとらえて、新しいマテリアル構築学を創成いたします。特別企画（１）では材料中に存在する水そのものを様々な角度から観察した研究を紹介します。特別企画（２）では水との調和により発現される材料機能について紹介します。聴講に当たりましては参加登録が必要です。詳しくは、第 12 回 CSJ 化学フェスタ 2022 の参加登録サイト（こちら）をご覧ください。
特別企画（１）：水の科学と材料科学の融合（10/19）

特別企画（２）：水の理解による材料機能の創製（10/20）

09:30-09:35 「開会挨拶」

09:30-09:46 「水圏分子集積に基づく二次元材料のボトムアップ

加藤 隆史（東京大学）

合成」

09:35-09:45 「「水圏機能材料」特別企画のご紹介」

原野 幸治（物質・材料研究機構）

髙島 義徳（大阪大学）

09:46-10:02 「水中の分子・イオンと選択的に相互作用する水圏

09:45-10:01 「水和挙動解析と化学結合型表面修飾による新規水機能性炭素材料の開発」

圏ゲル材料創出」

仁科 勇太（岡山大学）

網代 広治（奈良先端科学技術大学院大学）

10:02-10:18 「水素結合と配位結合を駆使した超分子的アプロー

10:01-10:17 「環境に応答して自己組織化する水圏機能ポリマー

チに基づく水圏機能材料の創出」

ミセル材料の創成」

中村 貴志（筑波大学）

寺島 崇矢（京都大学）

10:18-10:34 「水圏機能材料の励起ダイナミクス制御」

10:17-10:33 「水圏機能材料の内部で発生する力を可視化する超羽會部 卓（慶應義塾大学）

分子メカノフォアの開発」

10:44-11:00 「セルロース系分子集合体の集合・水和構造の制御

相良 剛光（東京工業大学）と水圏バイオ機能材料の構築」

10:33-10:49 「カルボン酸側鎖を有するポリ置換メチレンの分子芹澤 武（東京工業大学）設計による水圏機能制御」

11:00-11:16 「様々な末端構造をもつ水圏デンドリマーの水和挙

松本 拓也（神戸大学）

動とＤＤＳ機能との相関」

10:56-11:12 「自己集合性ナノ水圏の理解とモルフォロジー制御」

児島 千恵（大阪公立大学 ）原 光生（名古屋大学）

11:16-11:32 「生体分子との相互作用制御を実現する革新的な温11:12-11:28 「大環状化合物の特異的ナノ空間を利用する水・イ度応答型水圏機能材料の創製」

オン輸送のための水圏機能材料の開発」

長瀬 健一（慶應義塾大学）

河野 慎一郎（名古屋大学）

11:32-11:48 「エントロピー抑制に基づくスマート水圏機能材料

11:28-11:44 「ニッケル錯体塩によるアンバイポーラー型電荷輸の設計と動的分子結合能制御」

送性薄膜の開発と水圏活用による展開」

宮田 隆志（関西大学）

藤野 智子（東京大学）

11:48-11:53 「閉会挨拶」

11:44-12:00 「球面π共役系を用いた実験系水和モデルの創出」

髙島 義徳（大阪大学）

橋川 祥史（京都大学）
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A01 分子・材料構築班
親水性金属ナノクラスターの化学組成制御

セルロース系分子集合体の集合・水和構造に基づく高機能水圏バイオ機能材料の創製の制御と水圏バイオ機能材料の構築

根岸 雄一
東京理科大学教授

親水性金属クラスターは、光線力生体分子やその誘導体の自己集合学的療法における新規光増感剤とならびに得られた集合体の機能がして大きな注目を集めています。

広く研究されてきました。しかししかしながら、今後、親水性金属ながら、安定性や力学物性などにクラスターを従来増感剤の代替材優れる構造多糖を組み込んだ分子料として利用してゆく上では、一の自己集合はほとんど研究されて重項酸素の生成効率をさらに向上芹澤 武させることが不可欠です。本研究東京工業大学では、「親水性金属クラスターを高教授分解能にて分離する技術の確立ときませんでした。本研究では、様々な分子・集合構造をもつセルロース系分子集合体の水和構造を系統的に解析し、水和構造とバイオ特それによる親水性金属クラスターにおける化学組成と電性との相関について分子子 / 幾何構造の相関の解明」、及び「一重項酸素を高い効レベルで明らかにしま率にて生成し得る親水性金属クラスターの創製」を目指す。得られた知見を集合します。

体の設計・構築に反映させ、水圏バイオ機能材料としての有用性を見出します。領域内共同研究の実施により、本研究の一層の推進を図ります。

環境に応答して自己組織化する水圏機能生体液中のホルモン検出を可能とする

ポリマーミセル材料の創成

水ゲート有機トランジスタの開発

寺島 崇矢京都大学准教授

両親媒性ランダム共重合体は、水有機デバイスは、有機半導体材料中で主鎖が折り畳まれたコンパクの不安定性に起因して、水圏環境トなミセルを形成し、複雑環境下下において極めて脆弱である。こでも選択的かつ動的に自己組織化れに対し我々は、逆転の発想としします。本研究では、このミセルて水を積極的に構成部材に使用すを基盤として、水中でセルフソーる水ゲート型有機トランジスタティング（同じポリマー同士で会南豪合）または共自己組織化（異なる東京大学ポリマー同士で会合）する水圏機

准教授

能ポリマーミセルを創出し、水環(WG-OFET) を開発しており、さらに分子認識能を賦与させることで、化学センサとして使用可能なデバイスを提案している。標的種とし境に応答してセルフソーティングと共自己組織化を可逆て選定したオキシトシンは複雑な分子骨格を有するため、的に実現する革新的な自己組織化システムを創出します。

その定量的な検出は、分子認識化学分野における挑戦的

さらに、この動的な自己組織化制御技術を生かして、ハ課題の一つとなってイドロゲルなどの機能材料創成を目指します。

いる。そこで本研究では、ヒト唾液中のホルモン濃度を計測
可 能 な WG-OFET センサの開発を目指す。

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A01 分子・材料構築班
水素結合と配位結合を駆使した超分子的非対称水和ネットワーク構造を有するアプローチに基づく水圏機能材料の創出

多孔性水圏材料の機能化

中村 貴志
筑波大学助教本研究では、水素結合と配位結合結晶細孔に取り込まれた水は特異を駆使した超分子的アプローチになネットワーク構造を形成するこ基づいて、水分子の挙動の詳細なとから、新たな水圏機能材料の候理解を通じ、水圏で機能する水素補となります。本研究では、先に結合型レセプターの機構解明と強開発した非対称細孔壁を有する多靭性材料の開発を目指す。水圏で孔性結晶の一次元細孔内に水分子の利用には不適とされてきた水素田代 省平

結合の活用、水和挙動の分子論的東京大学な理解、および疎水効果と配位結准教授合を組み合わせた強靭性材料の創を集積化することにより、巨大かつ非対称な水和ネットワーク構造を構築し、不均一性・非対称性に基づく機能化を図ります。具体的

出を通じて、分子化学・錯体化学を専門とする中村（研には、水和構造の動的性質を明らかにした上で、溶質を究代表者）と、シミュレーション・材料機能開拓を専門含む水和構造の構造解析を行うとともに、水和界面を利とする研究者との領域内共同研究により、水分子の基礎用した分子変換反応の開発や、非対称構造に基づくイオ物性の解明と水圏機能材料の開発を成功させる。

ン伝導性や誘電性の制御を目指します。

水圏機能材料：注目の研究「高分子の側鎖効果と水圏での構造及び物性との相関」
ポリ置換メチレンは、主鎖のすべての炭素に側鎖を有する高中性子反射率測定の特徴を活かし、膨潤層における含水率を明分子であり、汎用的なビニル系の高分子と比較して、ポリ置らかにし、高分子薄膜の表面自由エネルギーとの相関を示しま

換メチレンの物性は、その側鎖により大きく影響を受けますした。その結果、メチル基などの側鎖を有する高分子の最表面1)。特に側鎖にカルボキシ基を有するポリ置換メチレンは、汎では多くの水分子を含む膨潤層が形成されるのに対し、より表用的なビニル高分子のアクリル酸と比較して、より高度にカ面自由エネルギーの低いフッ素を多く含む官能基では最表面にルボン酸が存在するため、より高い水分子との親和性を示し、おける水の膨潤層が形成されにくく、含水量も抑えられることより優れた水圏機能を発揮します。実際に、左図のように、を明らかにしました。

氷柱の接着では低い接着強度を示し、さらに、本領域内でのこのように、高分子と水分子の相互作用を構造と物性の観点か共同研究を通し、多くの不透水の存在や高湿度条件下での中ら解明することを目指し、水圏での高分子の界面機能制御に向性子反射率測定の結果からその高い吸湿性を示しました。

けた基礎学理の構築に取り組んでいます。
( 神戸大院工・松本拓也 )また、A02 と共同し、中性反射率測定を利用して、水存在下での高分子最表面構造に対する側鎖の影響の評価にも取り組みました 2)。さまざまな側鎖官能基を有する高分子薄膜に対し、重水などの溶媒中で構造評価することで、右図のように疎水性の表面でも高分子最表面において膨潤層が形成されることを明らかにしました。さらに、重水素を識別可能という

1) T. Matsumoto, E. Kannan, M. Tomioka, T. Nishino, Polym. J., 2022, in press.
2) Y. Xie, J. Iwata, T. Matsumoto, N.L. Yamada, F. Nemoto, H. Seto, T. Nishino, Langmuir 2022, 38, 6472–6480.
3A02 先端計測・シミュレーション班
水和による水の不均一性から生物機能を中赤外分光と近赤外分光を組み合わせた理解する

バイオマテリアルの水和構造分析

今清水 正彦
産業技術総合研究所
主任研究員

生化学反応において、水分子集団

中赤外分光では主に化学結合の基の運動は、生体高分子との相互作準振動を、近赤外分光ではその倍用により不均一になる。このよう音や結合音を観測することができな不均一性は、生体高分子と水分ます。本研究では様々な含水状態子の協同作業によって生み出されにおけるバイオマテリアルの中赤る精緻な生物機能の物理化学的核外スペクトルと近赤外スペクトル心になると考えられるが、その多の 測 定 に 挑 戦 し ま す。こ の と き、森田 成昭

く は 未 解 明 で あ る。本 研 究 で は、

水の O-H 結合と材料の化学結合の大阪電気通信大学

この相互作用のダイナミクスと周シグナルは異なる波数領域にあら教授期が一致するサブテラヘルツ領域われるので、それらを詳細に解析の電磁波を外場として与え、一過的に生体高分子水溶液して水圏機能材料に特徴的な分子構造や相互作用の理解における水運動の不均一性を際立たせる。この時の水溶を深めます。さらに、ケモメトリックスや機械学習といっ液の変化と生物機能の変化を、それぞれ分光学的、生化たデータサイエ

学的に分ンスの手法を応析 し、両用して分子情報者の繋がをより深く読みりを考察取ることにも挑する。

戦します。

水圏機能材料：注目の研究「赤外線領域放射光を利用した水圏機能材料の解析」
赤外分光は汎用性の高い測定手法で、物質の結合状態や電子利用した赤外分光では、加湿のほかに、温度・延伸・偏光など状態を調べるために広く利用されています。放射光は、光速の条件を変化させながら測定可能で、領域内で多くの共同研究に近い速度で移動する電子から放射される高輝度の光で、赤を行なっており 2,3)、赤外分光を通じた水圏機能材料研究の推進

外線領域の光も利用可能です。この赤外光を利用して、我々への貢献を目指しています。
（高輝度光科学研究センター・池本夕佳）

は水圏機能材料における水の状態と材料の相関の解析に挑んでいます。図は、生体適合性ポリマーとして知られる poly(2-methoxyethyl acrylate) の赤外吸収スペクトルを加湿状態で測定し、得られた OH 伸縮振動の変化を示したものです。
ポリマーに水素結合した水分子の模式図と、その配置を仮定して DFT 計算を行い、得られた OH 伸縮振動の波数も示しました。これらを組み合わせた解析により、OH 伸縮振動の波数から水分子の個数や水素結合の数、結合状態を考察できる
ことがわかりました 1)。A02、A03 と共同で行った研究成果であり、他の材料における水の解析にも有効です。放射光を

1) Y. Ikemoto, Y. Harada, M. Tanaka, S. Nishimura, D. Murakami, N. Kurahashi, T. Moriwaki, K. Yamazoe, H. Washizu, Y. Ishii, H.Torii,J. Phys. Chem. B, 2022, 126, 4143–4151.
2) D. Yamaguchi, Y. Ikemoto, T. Kano, Chem. Commun., 2020, 56, 9954–9957.
3) H. Yamagishi, S. Nakajima, J. Yoo, M. Okazaki, Y. Takeda, S. Minakata, K. Albrecht, K. Yamamoto, I. Badia-Daminguez, M. M. Oliva,M. C. R. Delgado, Y. Ikemoto, H. Sato, K. Imoto, K. Nakagawa, H. Tokoro, S. Ohkoshi, Y. Yamamoto, Commun. Chem., 2020, 3, 118-1/8.

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機能開拓班
A03 機能開拓班
A03
水溶液プロセスによる水酸アパタイト結晶

キノン含有共役高分子材料の水圏およびの形態制御と水圏機能設計

非水圏での機能制御とエネルギー関連応用後藤 知代
大阪大学准教授

水環境下における吸着剤の表面吸1 分子で 2 電子の酸化還元反応を

着やイオン交換反応は、結晶材料起こすキノン誘導体を含んだ高分と水圏界面の反応であることから、子材料について、どのような高分吸着剤の結晶構造から形態のナノ子・ナノ構造を作ると、水圏・非〜マクロ構造制御がその高機能化

水圏で酸化還元に基づく機能を発において重要となる。水酸アパタ

現できるかについて追究し、そのイト（HAp）は、陽陰イオン交換

緒明 佑哉

特性および特異な吸着特性をもち、慶應義塾大学無機汚染物質および有機汚染物質准教授除去の環境浄化材料として期待さ設計指針を確立と制御を目指します。本研究を通じて、水あるいはそれ以外の溶剤とキノン含有高分子の分子および材料レベルでの相れる。本研究では、表面吸着やイオン交換などの HAp 結互作用を理解することを目指します。得られた知見をも晶と水圏界面での反応と水分子の影響の解明に取り組み、とに分子・材料設計を行い、水圏で白金を代替するよう水圏機能デザインのための HAp 材料設計指針の確立を研なメタルフリー水素発生電極触媒など、エネルギー関連究目的とする。

材料としての応用を目指します。

様々な末端構造をもつデンドリマーの生体分子との相互作用制御を実現する

水和挙動と DDS 機能との相関

革新的な温度応答型水圏機能材料の創製

児島 千恵大阪公立大学准教授

樹状高分子であるデンドリマーは、温度変化により水和・脱水和を起内部空間や末端に薬物を担持できこす温度応答性高分子を修飾したるため、ドラッグデリバリーシス

材料は、界面の親水性・疎水性をテム（DDS）への応用が期待され変化させ、タンパク質や細胞とのています。これまでに、DDS 材料相互作用を制御することができまとしてポリエチレングリコールす。この特性を用いて分離材料と（PEG）や熱応答性部位で修飾した

長瀬 健一

デンドリマーを作製し、その血中慶應義塾大学滞留性や細胞との相互作用の温度准教授による制御について研究してきましての検討が行なわれています。
しかし現段階では、温度応答性高分子の分離材料としての十分な性能を引き出せていない可能性があした。細胞の約 70％は水ですので、DDS ナノキャリアとります。そこで本研究で水との相互作用の理解は極めて重要です。本研究課題では、温度応答性高分子近は、上記の様々な末端構造のデンドリマーナノ粒子の水

傍の水分子挙動の詳細な和状態を調べ、ナノ粒子の DDS 機能との相関について明解析を行ないます。これらかにします。

により、さらなる機能性を有する温度応答性高分子界面の設計指針を構築し、革新的な分離材料の創出を目指します。

5文部科学省科学研究費補助金 新学術領域研究 （研究領域提案型）（No. 6104）令和元年-5年度「水圏機能材料：環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成」
ニュースレター第13号（2022年8月発行）■編集・発行 「水圏機能材料」総括班〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
https://www.aquatic-functional-materials.org

東京大学大学院工学系研究科 加藤研究室内

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