Aquatic Functional Materials
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A u g u s t 202２

No. 12

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 5 回領域会議

開催報告

開催日：2022 年 5 月 9 日（月）− 10 日（火）主催：新学術領域研究「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」総括班
新型コロナウイルス感染症の感染者状況を鑑み、第 4 回に引りました。各研究者からの発表および質疑だけでなく、それぞき続き第 5 回領域会議もオンライン形式にて開催いたしまし

れの日の夕方に 1 時間ずつ「領域連絡会」として研究者交流会た。今回は令和 4−5 年度の公募研究の研究代表者 46 名を迎が行われました。複数のブレイクアウトルームに各研究者が自えた領域の新体制として初めての領域会議となります。その由に出入りし、質疑の時間内にできなかった、より深い議論やため、5 月 9 日と 10 日の 2 日間にわたり、計画研究の研究共同研究に向けた相談などが行われ、本年度から新たに参画さ代表者および研究分担者、公募研究の研究代表者からこれまれたメンバーも巻き込んだネットワークがこの 2 日間で一気にでの研究成果や研究計画について発表をしていただきましできあがった印象を受けました。2 日目の最後には 3 名の評価た。評価委員の先生方や産学アドバイザリーボードの方々、 委員の先生からご講評をいただきました。各研究の進捗やその文部科学省学術調査官にもご出席いただき、総勢 80 名以上

多様性について高い評価を頂くとともに、今後の展開に対しての参加となりました。質疑の時間には公募研究の研究者からも心に刺さる提言をいただきました。4 年目となり、世界をリーの質問もとても多く、4 年目を迎える本領域研究の一層の盛ドする「水圏機能材料構築学の創成」に向けて、「水を分子とり上がりを実感いたしました。昨年度まで培ってきた学術的してとらえる」共通の視座のもとに本領域研究が加速していくな知見が徐々に共通化されてきており、まさに「水」を中心のを実感できた会議となりました。参加者の皆様に深く御礼申にした新学術領域が花開きつつあることを感じさせる会となし上げます。
（東大院工・福島和樹、筑波大数物・菱田真史）

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A01 分子・材料構築班
三次元水ナノシートを用いたプロトン伝導

水圏環境で生体分子と会合体を形成する

パスの構築と伝導メカニズムの解明

発光性希土類錯体の開発

一川 尚広
東京農工大学准教授

燃料電池の更なる高機能化・低コ水溶性分子へ水素結合部位を導入

スト化・環境調和性の改善を実現

すると水圏環境で分子間ネットする上で、プロトン伝導膜設計技

ワ ー ク を 形 成 す る。本 研 究 で は、術の刷新は不可欠な課題である。

水素結合部位を含む水溶性希土類

これまで我々は、図に示したよう錯体の水圏環境中における会合形な三次元連続性と立方周期性を持成を行う。具体的には、水溶性 Eu

つジャイロイド曲面（界面）上に長谷川 靖哉

酸性官能基と水分子を配列するこ北海道大学とで、極めて優れたプロトン伝導教授

膜 を 開 発 し て き た。本 研 究 で は、(III) 錯体にアミド結合部位を導入した会合体：アミド Eu(III) ミセルを開発し、この会合体とアミノ酸等とのネットワーク形成による水圏このジャイロイド界面上に沿った高速プロトン伝導現象環境での会合体の形成を検討する。さらに、タンパク質に、膜中の” 水分子のダイナミクス” がどのように関与しとの会合体形成を行い、水圏環境におけるタンパク質のているかを明らかにしていきたいと考えています。

動 的 構 造 変 化 を Eu(III)部位の発光寿命解析によって評価する。

ニッケル錯体塩の水圏での自己組織化を利用

N-ビニルアミドに特徴的な水和挙動解析としたアンバイポーラー電荷輸送性薄膜の開発

化学結合型表面修飾による新規ゲル材料創出

藤野 智子
東京大学
助教

水圏の活用により、ニッケル錯体

N- ビニルアミドは、高分子ゲルでを用いた高移動性のホール・電子

一般的に用いられているアクリル輸送性（アンバイポーラー）材料アミドの構造異性体であり、ハイを 開 発 し ま す。ニ ッ ケ ル 錯 体 は、ドロゲルでは水分子の配位構造が単分子量アンバイポーラー型材料異なると考えられている。この特のための厳しい電子的要請を満た徴的な水和構造を活用して高分子す稀有な材料ですが、薄膜化が困

網代 広治

難とされてきました。本研究では、

奈良先端科学技術大

ニッケル錯体の合成前駆体が親水学院大学・教授性のアニオン塩であることに着目

ゲルを発展させるべく、モノマー構造設計や精密重合法によって Nビニルアミド系ポリマーにおけるアミド基と水分子との相互作用をし、水圏での広範囲塗布

理 解 し、N- ビ ニ ル ア化による高移動性薄膜のミド系ポリマーの水和実現を目指します。さら制 御 を 目 指 す。ま た、に対カチオン種の交換にポリビニルアミン前駆よってベシクルなどの構体という特徴を活か造体を構築し、水中でのし、ハイドロゲル表面特異な電子機能性を見出を化学修飾型で置換基します。

を導入し、新しい水圏ゲル材料を創成する。
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A01 分子・材料構築班
親水性ブロック共重合体による新規水圏大環状化合物の特異的ナノ空間を利用する分子集合体の創製と機能

水・イオン輸送のための水圏機能材料の開発

三浦 佳子
九州大学教授水溶液上の分子集合体はナノテクサイズと形状が均一な微小空間（ナノロジー上重要なものである。通ノ空間）をもつ大環状化合物や超常、水中の分子集合体は両親媒性分子集合体の自己組織化に関する分子から成るが、親水性のブロッ研究を行っています。その内側にクからなる高分子のブロック共重分子を捕捉することができる比較合体について、超分子を形成して、的大きなホスト分子群でも、適切集合体を形成するものを見出した。

河野 慎一郎特に水素結合などの分子間相互作

名古屋大学

用を強固にとる糖を持つ高分子に講師ついて、エントロピー駆動の水和な脂肪鎖を連結した分子設計を行うことにより、分子の自己集合を利用して液晶や多孔性の分子組織として構築することができます。

をするポリエチレングリコールなどの分子と組み合わせ

本研究では、大環状化合物や超分子集合体の自己組織化ることで自己組織化させて、その構造特性について検討構造の中に形成させたナノ空間を利用して、水、イオン、を行う。

有害な有機物を選 択 的 に 吸 着・分離する水圏機
能性材料の機能開拓を目指します。

水圏機能材料：注目の研究「分子分布を制御した水圏ペプチド超分子の水和構造と細胞機能」
両親媒性ペプチド（PA）は、水環境下で様々な分子間相互この結果に関し、A02 と共同し、粗視化シミュレーションで詳作用により自己組織化し、多様な超分子を形成します。その細なプロセスの解明を目指しました。疎水部と親水部を繋げた形状や PA に導入した機能性因子の分布は、PA 超分子が発現

シンプルな粗視化モデルで、疎水部が短いと相分離構造を、疎する機能に大きく影響を与えるため、これらをどう制御する

水部が長いと部分的に PA 同士が混合する状態が再現されましかが PA 超分子を水圏で利用する際の課題となります 1)。

た（下図）。これはアルキル基とフルオロアルキル基間の相分

私達は、複数種類の PA の相分離や共集合を制御した超分子離性よりも疎水性相互作用の寄与が大きくなることが原因と示の形成を目指してきました。水中では特異性の低い疎水性相唆されています 2)。同じ構成成分から複数種類の超分子を形成互作用が強く働き、通常は複数種類の PA 同士がランダムに可能な本手法は、超分子構造とバイオ機能の関連を調べる上で混ざった共集合体が形成されます。これに対して、疎水部に重要なツールになります。現在、超分子形成時の水分子の役割

互いに混和しないアルキル基とフルオロアルキル基を導入しや細胞への作用に関する検証を進めて、新たな水圏機能材料のた PA 同士では、相分離した超分子が形成されることを見出構築を目指しているところです。

（九大院工・若林里衣）

しました。また、超分子形成時に高温条件で長時間インキュベートすると、PA 同士が混合した共集合体が得られました。
共集合体の形成は、疎水部の長い PA ペアでのみ観察され、疎水部の短い PA ペアでは相分離状態を保持していました。
1) R. Wakabayashi, H. Obayashi, R. Hashimoto, N. Kamiya, M. Goto, Chem. Commun., 2019, 55, 6997-7000.
2) R. Wakabayashi, R. Imatani, M. Katsuya, Y. Higuchi, H. Noguchi, N. Kamiya, M. Goto, Chem. Commun., 2022, 58, 585-588.

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A02 先端計測・シミュレーション班
ラマン分光による水中の分子間振動の理解：

水圏機能材料のイオン交換特性を支配する創薬への応用に向けて

超空間原子配列の深耕

本研究では、フェムト秒ラマン誘

本研究では、水をキレイにする化起カー効果分光と定常状態ラマン

学に資する超高性能な水圏機能材

分光により水溶液中の RNA の分子料を提案します。特に、フラック間振動を観測します。水の分子間ス法を基盤技術に用い、超空間原振動はラマン活性度が小さく信号子配列を自在に制御することで、強度が弱いため、ラマン分光は水ダントツなイオン交換特性や分子溶液中の溶質の挙動を観測するの城田 秀明

手嶋 勝弥に適しています。観測周波数領域

千葉大学

信州大学の異なるこれら二種類のラマン分

准教授

教授

光により（i）水溶液中の RNA の篩性能を発現する超高性能結晶材料 を 創 製 し ま す。具 体 的 に は、NiFe 系層状複水酸化物 (LDH) をターゲット材料に据え、精密分析を活用して超空間原子配列の理解に努め、配列決定因子の相互作用についての RNA と DNA の相違点・類似点のを明らかにすることを目指します。さらに、様々な 2 価・明 確 化、（iii）1 本3 価の金属元素を組み合せた LDH に展開し、イオン交換鎖と 2 本鎖 RNA の性能に関する汎用化した超空間原子配列の提案も目指し分子間振動の理解にます。

S pectral Intensity (a.u.)

分子間振動の観測、（ii）分子間振動でプローブする水と0.5 M aq. AMP
Phosphaet buffer
er soln.

0.150.10

努めます。将来的に0.050.00

は、RNA が 関 与 す
0200

400600-1Frequency (cm )8001000

る創薬分野への応用を目指します。

水圏機能材料：注目の研究「化学修飾フラーレンの非晶質分子集合に基づく水圏機能材料開発」
分子集合体が生み出す内部空間を利用してナノレベルの水和の膜厚と最大 30 cm2 の面積で高い均一性を有する分子膜の作環境を設計することで、水分子ネットワークが構造特性や物製に成功しました 2)。放射光 X 線を用いた界面分析により、上性の観点でバルクの水とは違った性質を示す水圏機能材料を下面に疎水性のフラーレン層、内部にカルボン酸と水分子から構築することが可能です。我々は、円錐型 [60] フラーレンなる二次元水ネットワーク構造を提示する逆二分子膜構造であ分子からなる非晶質集合体の内部空間における次元制御されることを明らかにし、水素結合ネットワークを介した高いプロた水和環境の構築とその応用に取り組んでいます。例えば、トン伝導性も見いだされました。これにより新たな水圏機能材

円錐型フラーレン分子のカリウム塩を水中で徐々にプロトン料の開発に展開できると考えています。（物材機構・原野幸治）

化することで直径の揃ったナノからマイクロメートル径の非晶質球状粒子が形成します 1)。この粒子内の水和水は高真空下においても蒸発せず、タンパク質やバクテリオファージなどの生体物質を水和された状態で粒子内を包埋させ、電子線トモグラフィーによる三次元構造解析を行うことができます。
さらに我々は、A03 との共同研究により、カルボキシル基を有する円錐型フラーレン分子を気液界面で集積化し、3.0 nm1) R. Sekine, P. Ravat, H. Yanagisawa, C. Liu, M. Kikkawa, K. Harano, E. Nakamura, J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 2822–2828.
2) P. Ravat, H. Uchida, R. Sekine, K. Kamei, A. Yamamoto, O. Konovalov, M. Tanaka, T. Yamada, K. Harano, E. Nakamura,Adv. Mater., 2022, 34, 2106465.

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機能開拓班
A03 機能開拓班
A03
カルボン酸側鎖を有するポリ置換メチレン

水圏機能材料の内部で発生する力を可視化の分子設計による疎氷性制御する超分子メカノフォアの開発

松本 拓也
神戸大学講師

これまで、高分子の表面・界面・水圏機能材料の内部では大小さま接着の制御と解析に携わってきまざまな力が発生しており、その定した。高分子は側鎖の分子骨格に量評価・可視化技術が求められてよって、高分子表面の性質が大きいる。本研究では、pN オーダーのく変化します。本研究では、側鎖微小な力を可視化するための分子が高密度に集積されたポリ置換メツールを開発する。これまでに開チレン骨格に着目し、側鎖に高い相良 剛光

親水性を示すカルボン酸を導入し東京工業大学た高分子を利用し、その高分子表准教授

面の着氷性の制御に取り組みます。

発したシクロファン型超分子メカノフォアの分子構造を、より親水性の高い分子構造に変更すること
で、蛍光の On/Oﬀ スイッチを示す

航空機や自動車、インフラの分野では、表面の除氷は非親水性超分子メカノフォアを創製する。開発した超分子常に重要であり、着氷性の制御が求められます。高分子

メカノフォアをヒドロゲルなどに導入し、溶媒による膨の設計により表面潤、外部から印加する力による伸縮などに応答して蛍光“水圏” の凍結挙動特性が変化する水圏機能材料を開発する。の制御から表面の疎氷性付与に取り組みます。

サブナノ多孔膜における気相〜液相系

水圏で接着能が可逆的に変化する

水分子の透過性評価と高機能化

サステイナブル接着剤の開発

都留 稔了
広島大学教授21 世紀は「水の世紀」と呼ばれ、水分子は、接着界面における水素河川水や海水から安全な水をつく結合をはじめとする相互作用に、る膜プロセスの実用化が進んでい大きく影響を与えると考えられてます。今後は、気相中に大量に存います。我々の研究室では、海藻在する水蒸気を水やエネルギー資由来の多糖類であるアルギン酸に源として回収する新技術を開発す

ドーパミンを化学修飾したカテる 必 要 が あ り ま す。本 研 究 で は、

曽川 洋光

効率的に” 水をつくる” ことを最関西大学

終目標として、細孔径 1nm 以下の准教授

シリカ系膜を開発し、気相や液相コール含有アルギン酸を合成し、これが乾燥条件下で良好な接着能を示すことを見出しています。本
研究では、アルギン酸が多価イオの広範囲で透過性を測定することでサブナノ細孔内でのン添加に伴いゲル化する現象に着目し、湿潤下でも良好水分子の動的挙動を明らかにするとともに、膜構造の最な接着能を発現する水溶性のサステイナブル接着剤を合適化により高選択性・高透過性水分離膜の開発指針を得成します。水分子が接着能に及ぼす影響を明らかにするます。

とともに、接着能の可逆的制御に取り組みます。

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12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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