Aquatic Functional MaterialsNews▲

O c t o b e r 202２

No. 1４

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
水圏機能材料：注目の研究「吸湿性の利用に基づく水圏機能材料開発」
ポリジメチルシロキサン（PDMS）は表面エネルギーが低く、さらに A03 班と共同研究を進めることで、開発したポリシロ疎水性のポリマーとして有名です。そのため、PDMS に親水キサンがラメラ状に自己集合し、加湿で自己集合の秩序が向上性を付与することは、新たな水圏機能性材料の創製につながする現象を見いだしました 2)。中和度の検討や PDMS との共重ります。本新学術領域研究において私は、ポリシロキサンの合体の評価によって、分子内および分子間でのイオン凝集や主全モノマー単位にアミン塩酸塩を導入することで水溶性のポ鎖のコンフォメーションが加湿による高秩序化と関係すること

リシロキサンを合成しました。このポリマーは相対湿度 80%も明らかとしました。最近では、このポリマーが特異的な濡れの湿潤状態では水あめのように流動性をもちますが、乾燥状性表面を提供することもわかってきました 3)。引き続き領域内態では堅硬性が発現します。レオメータ測定にて弾性率を定での共同研究によって吸湿性を利用した新たな水圏機能材料を量評価したところ、乾燥によって弾性率が 1 億倍上昇するこ開発していきます。

（名大院工・原光生）とがわかりました。身近な物質で例えると、卵黄の弾性率からフッ素樹脂の弾性率へと変化したことを示します。弾性率の変化は可逆であり、吸湿量に応じて 1 億倍という広いレンジで弾性率を制御できます。PDMS はガラス転移温度が低くこれまで柔軟材料として広く利用されてきたため、私が開発した水溶性ポリシロキサンはユニークな材料といえます 1)。
1) M. Hara, Y. Iijima, S. Nagano, T. Seki, Sci. Rep., 2021, 11, 17683.
2) M. Hara, A. Kodama, S. Washiyama, Y. Fujii, S. Nagano, T. Seki, Macromolecules, 2022, 55, 4313-4319.
3) M. Hara, Y. Ueno, S. Nagano, T. Seki, J. Fiber Sci. Technol., in press.

若手の研究紹介
水圏機能性液晶ナノ構造膜の開発と構造制御
濱口 和馬
東京大学

チャネル内の水分子がバルク状態よりも秩序だった水素結合

博士後期課程 3 年構造を形成することを見出しました。今後は水処理特性や他

A01 計画研究・加藤グループの親水性官能基を用いた場合の影響を調査し、水処理膜の機能設計に向けた水圏機能材料の学理構築を目指します。

水処理膜の新たな機能化に向けて、水の構造と分離特性の相関を理解することは重要です。本研究では、官能基が集積したナノチャネルを有する液晶ナノ構造水処理膜における官能基と水分子の構造の相関解明、および新たな機能の発現を目指しています。現在までに、ナノチャネ
ルの官能基をカチオンからヒドロキシ基に変化させると、
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A01 分子・材料構築班
水圏で形成される有機無機複合体結晶のイオン性ラダーポリマーに基づく水圏創出と機能開拓

機能材料構築学の創成

堀内 新之介東京大学講師

単結晶 X 線構造解析は、結晶内部イオン性置換基を持つ高分子は、に含まれる分子の位置や配向を原特異な水との相互作用により多様子レベル（× 10‒10 m）の分解能でな物性を発現します。このイオン明らかにできる強力な分析手法で性高分子の主鎖を、二本以上の化す。近年、結晶にナノレベルの均学結合で結合されたポリマーであ一な穴が空いている細孔性結晶が、るラダーポリマーにしてみるとど有機小分子の構造解析に有効であ石割 文崇ることが示されました。本研究で大阪大学

は有機分子と金属錯体を水圏で集講師合化させて得られる細孔性結晶をう な る で し ょ う か？ラ ダ ー ポ リマーでは主鎖に沿った自由回転が不可能であるため、導入されたイオン性官能基の配向や、主鎖に対用いて、細孔内部に含まれる水分子の集合構造と性質をする相対的位置を制御することが可能であり、従来のイ明らかにします。放射光分光や計算科学の結果と照らしオン性高分子とは全く異なる性質を示す可能性がありま合わせることで、細孔界面の水分子の構造と性質の相関す。本研究では、このようなイオン性ラダーポリマーに基 づ き、新関係を明らかにします。

たな水圏機能材料の開発に挑戦します。

水圏環境で自己集合化する金属イオン配位水中の分子・イオンと選択的に相互作用駆動型超分子ペプチドの開発と機能発現する機能性炭素材料の開発

堤浩
東京工業大学准教授

水中で複数の相互作用を協奏的な本研究では、分子認識可能な機能駆動力として任意の構造のナノ集部位を炭素材料に付与し、水中に合体を形成する人工分子のデザイ含まれる分子またはイオンと選択ンは、水圏機能材料の創製におい的に相互作用または除去する材料て重要です。本研究では、水に親に展開します。炭素材料は水分野和性のあるペプチドを基盤として、への実応用が広く行われています

遷移金属との配位結合をトリガー

仁科 勇太としてさまざまなナノ構造体へと岡山大学集合する両親媒性の自己集合化ペ研究教授

プチド材料の創製を実施します。

が、原子・分子レベルでの構造制御が困難であるという理由から、化学的基礎研究の蓄積が十分とは言い難い状況にあります。私は有種々のアミノ酸から成る多様なペプチド構造と遷移金属機合成と炭素材料の両方を専門としており、新規な水圏イオンの組み合わせに機能材料を創出することにより本研究領域の発展に貢献より形成されるナノ構したいと考えています。

造の相関を明らかにするとともに、ナノ構造上に集積した遷移金属イオンを利用して触媒活性などの機能発現を行います。
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A02 先端計測・シミュレーション班
摩擦 in-situ 赤外分光法による水潤滑ソフト

帯電界面における水素結合ダイナミクス

材料の分子機構解明の直接観察粕谷 素洋
公立小松大学准教授

水潤滑ソフト材料は低環境負荷や材料表面と接する界面水の水素結

高生体親和性といった利点があり、合ネットワークの構造や動的振る船舶用軸受けや医療用シリンジに舞いは、水圏機能材料の機能に大利用されております。水潤滑材料

きな影響を及ぼします。界面水の間の水の構造・特性評価は埋もれ挙動を理解するには振動分光計測

た界面の動的挙動が対象であるたが有効ですが、これまでの界面選めに困難であり、学術的、系統的択的な計測法には技術的な制約が池田 勝佳

な理解が進んでおらず、材料改良

名古屋工業大学や機械設計を大きく妨げる原因と教授なっております。本研究計画では、

あ り ま し た。本 研 究 課 題 で は、1meV から 500 meV までの広帯域を一挙に測定可能な新しい界面選摩擦 in-situ 赤外分光装置を開発し、これを基に動的水構択的振動分光法を活用して、帯電界面における水素結合造の観測に基づく構造を直接観察することを目指しています。様々な水圏低摩擦発現の機構

機能材料における界面の分子レベルでの水の構造と機能の関係解明を行うとともを 調 べ、新 規 機 能 の 創に、基 材・潤 滑 剤製とそのメカニズム解の動的分子挙動の明に努めます。

評価手法としての確立を目指します。

水圏における水分子の動的様態を評価する

若手の研究紹介

シミュレーション技術の開発とその応用高分子中に水分子と水素結合する水圏において駆動する有機トランジスタの開発と化学センシングへの応用

官能基が存在すれば局所的にネッ

佐々木 由比トワークが強く張られることから、東京大学いかに多くの水素結合ができるか

A01 公募研究・南グループが水圏機能材料の性能に直結する水を構成部材に採用した水ゲート型有機はずです。水分子は持っている水トランジスタでは、半導体上にキャストした水溶液はトラ素結合の状態により特徴的な時間ンジスタの誘電体層として機能します。水圏における化学スケールが大きく異なります。そ種が、分子認識能を有する半導体界面で捕捉されると、そこで分子動力学シミュレーションの認識情報は半導体層のキャリア変化として伝達されます。

によって、高分子の影響を受けたすなわち、標的種の種類や濃度に応じて電気特性が定量的水分子が持つ水素結合に変化するため、本デバイスは化学センサとして機能しまの 結 合 先・本 数 の 起 こす。本研究では、化学センシングを指向した水ゲート型有り得る全ての状態とそ機トランジスタを開発し、半導体 / 水溶液の界面を用いたのダイナミクスを詳細

水圏分子認に 解 析 し、水 圏 に お け

識に基づくる水分子の動的様態の高感度検出全貌を明らかにするこを目指しまとを目指します。

す。

金鋼
大阪大学准教授

3特任助教

A03 機能開拓班
中間水を有する分岐ポリグリセリンの選択的水和による水圏メゾスコピック

血液適合性材料表面の最適化

秩序構造

大谷 亨
神戸大学准教授

本研究では、分子構造と分子量に双性イオン高分子で構成される両分布のない枝分かれ状分子（ハイ親水性ブロック共重合体の濃厚溶

パーブランチポリグリセロール及液が水圏で相分離して形成する格びポリグリセロールデンドリマー）

子状秩序構造を、「水圏ナノ分画場」に着目し、枝分かれ度の違いと化と位置づけ、濃度や応力に誘導さ学修飾を通じて水の構造を定量的れる秩序構造転移現象や、分画さに変化させ、水の構造と分子構造れた水の構造を研究しています。

檜垣 勇次

パラメータとの相関性を明らかにこれまで「親水性・疎水性」と単大分大学します。その上で、血液適合性の純に認識されていた親水性高分子

准教授

指標となるタンパク質吸着及び細をその水和状態で識別することで、胞接着を評価し、水の構造と血液適合性との関連性を明

濃度や応力に応じてメゾスコピックな構造や水和水の状らかにすることで、独自の血液適合性材料としての学術態が変調される新たな高分子集合体の創出を目指してい的根拠を得ます。

ます。

これらの研究によって生体材料科学と水の構造物理化学とを融合した学理の構築を目指します。

生体分子の構造や相互作用を変化させる若手の研究紹介

場の水和状態の解析
細胞内はタンパク質やその他の高界面における温度応答性高分子の粘弾性解析に基づく水圏機能材料開拓分子等で込み合っており、水分子山岡 賢司

は自由水ではなく束縛水として存

三重大学在していると考えられています。

A03 計画研究・藤井グループ

このような束縛水環境下で進む諸水圏で発現する高分子材料の生体親和性反応が生理機能発現の鍵を握るとの制御には、界面での水和状態を理解し、構造と物性の関予測されます。本研究はイオン液係を明らかにすることが重要です。本研究では水晶振動子体の構造を選択し、含水率を連続マイクロバランスの界面選択性を活かし、基板近傍におけ的に変化させながら、自由水 / 束る温度応答性高分子ゲルの水和・脱水和挙動を粘弾性の観縛水量や水素結合ネットワーク状点から評価します。これまでに界面近傍では基板の影響に態などを変化させたより加熱・冷却に伴う高分子鎖の熱可逆的な水和・脱水和場の構築を進めま挙動が溶液状態とは異なることを明らかにしました。今後す。このような場をは高分子鎖の界面濃縮と水分子の状態との関係から、界面用いて、生体分子のにおける水分高次構造や相互作用子の振る舞いに及ぼす水の影響にの解明を目指ついて解析します。

します。

藤田 恭子
東京薬科大学講師

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博士後期課程 3 年

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14号（2022年10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5