Aquatic Functional MaterialsNews▲

O c t o b e r 2020

No. ４

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10回CSJ化学フェスタ2020にて公開企画を開催
第10回CSJ化学フェスタ2020（公益社団法人日本化学会主催）
が2020年10月20日(火)〜22日(木)の会期にてオンライン開催されます。本領域では公開企画として、10月21日（午前）と22日（午前）の両日に、「文科省科研費新学術領域研究「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」特別企画：水に調和して機能を発揮する材料をつくる」を開催します。
「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る、という本領域の理念に基づいて、電子・イオン機能性、バイオ・環境機能性、メカノ機能性を発揮する水圏機能材料について紹介いたします。
さらに21日（午後）には「花王&新学術領域研究「水圏機能材料」特別企画：感染症と向き合う社会における化学」
を花王株式会社と共同開催※CSJ化学フェスタ2020のポスターより編集して掲載致します。奮ってご参加ください。
（阪大高等研・院理髙島義徳）

10月21日（午前） ・・・ 「文科省科研費新学術領域研究「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」」
https://onsite.gakkai-web.net/chemistry/program/#sec61
10月21日（午後） ・・・ 「花王&新学術領域研究「水圏機能材料」特別企画：感染症と向き合う社会における化学」
https://onsite.gakkai-web.net/chemistry/program/#sec63
10月22日（午前） ・・・ 「文科省科研費新学術領域研究「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」」
https://onsite.gakkai-web.net/chemistry/program/#sec62
オンライン聴講に当たりましては参加登録が必要になります。詳しくは、第10回CSJ化学フェスタ2020のホームページの参加登録サイトをご確認ください（https://www.gakkai-web.net/p/chemistry/reg/new2.php）。

1

本領域には「A01分子・材料構築班」、「A02先端計測・シミュレーション班」、「A03機能開拓班」の３つの研究項目があります。前号では、A03の紹介をしました。本号にて、A01およびA02を紹介します。
なお、各研究項目の研究協力者は2020年４月１日現在です。

A01-1

水圏機能材料の基盤となる分子設計・分子集合体の構築

研究代表者：加藤隆史（東京大学大学院工学系研究科 教授）・研究分担者：牧浦理恵（大阪府立大学大学院工学研究科 准教授）
研究協力者：坂本 健（東京大学大学院工学系研究科 助教）・村上進亮（東京大学大学院工学系研究科 准教授）

る水処理膜として機能することがわかりました 1)。水処理

水と材料との相互作用を分子レベル・ナノ集合体レベ膜における水分子の集合構造と透過機能の関係を A02 と共ルでとらえ、材料化学と水の物性科学を融合させて水圏同で放射光計測により明らかにしました 2)。さらに、加藤は、において働く材料、すなわち水圏機能材料の構築学を確生分解性・軽量強靭材料にならう水圏ハイブリッド材料（有立することを目指します。水圏機能材料の基盤となる分機無機融合材料）の基盤となる無機コロイド液晶の水圏合子設計・分子集合体の構築というアプローチにより、環成を行いました。A02 と共同で無機コロイド液晶のせん断境調和型・省エネルギー型の高機能性の水圏機能材料をでの挙動を中性子散乱法により明らかにしました 3)。また、創製します。

牧浦（研究分担者）は、水と異種相（固相、気相、水以外加藤（研究代表者）の基盤技術である超分子・分子集の液相）が接する界面において、分子や水が特異な状態や合体および液晶材料の構築技術により、選択的な輸送機振舞いを示すことに注目しており、加藤と共同してこの水能・分離機能を発現する機能性液晶を創製してきました。

圏界面における新しい材料を構築していきます。

坂本（研究協力者）と共に、扇状や棒状のイオン性分子A02-1 の放射光・中性子計測などの先端計測や A02-2 のを合成しこれらを配列・重合させることで、ナノチャネマルチスケールでのシミュレーションにより、分子集合体ル構造を有する自己組織化膜を形成させています。これやハイブリッド材料中および界面での水の静的・動的挙動

らは優れたウイルス除去能や選択的イオン透過能を有すを調べています。さらに今後は、A01-2 および公募研究の合成した機能分子を水圏や水圏界面において集合体化・配列化し、A03 および村上（研究協力者）、公募研究と協力して、これら材料の水圏機能開拓を推進します。
（１）水圏機能材料の基盤となる分子設計と合成および分子集合体の構築（２）水圏界面における分子配列と結晶化制御（３）分子集合・結晶化過程における水の役割
および水と材料機能の相関の解明

1) D. Kuo, M. Liu, K. Hamaguchi, H. Katayama, T. Kato et al., Small, 2020, 16, 2001721.
2) R. Watanabe, K. Yamazoe, T. Sakamoto, J. Miyawaki, T. Kato, Y. Harada, Angew. Chem. Int. Ed., in press.
3) S. Kajiyama, H. Iwase, M. Nakayama, R. Ichikawa, D. Yamaguchi, H. Seto, T. Kato, Nanoscale, 2020, 12, 11468.

A01-2

水圏機能材料創製のための機能分子の精密合成研究代表者：辻 勇人（神奈川大学理学部 教授）
研究分担者：武田洋平（大阪大学大学院工学研究科 准教授）・福島和樹（東京大学大学院工学系研究科 准教授）

「水圏機能材料創製のための機能分子の精密合成」というテーマで研究を行います。ベンゼン環に代表されるπ電子系有機分子は、分子構造をうまくデザインすることで光吸収・発光や半導体としての性質を示します。この機能性を利用して、バイオイメージング材料や有機EL ディスプレイ材料として実用化されています。この他にも多岐に亘る基礎研究ならびに応用研究が世界的に進められており、今後もその重要性は増すものと考えられます。

ます。しかしながら、π電子系有機分子は一般に疎水性が非π電子系有機分子の機能を水圏で自在に発揮できるよ

常に高く、「水と油」の言葉のとおり水とは分離してしまい、うになれば、その有用性は格段に広がることが期待され水圏環境においてそのまま利用することは困難です。

2そこでわれわれは、疎水的なπ電子系有機分子を生体・レーションによる水と材料の相互作用を評価し、機能環境に調和させる（つなぐ）ための分子ならびに集合体発現のための水の役割を精査することで学理を探求すの設計・精密合成を行います。具体的には、辻（研究代るとともに、分子設計へとフィードバックして材料と表者）らが開発した超高効率発光性を特徴とする炭化水して最適化します。さらに、これらの結果を用いて素分子や高い電荷移動度をもつ有機半導体分子、武田（研A03 とともに水圏機能材料の創製へとつなげていきま究分担者）らが開発した水分子等に可逆的に応答する環す。

境応答性分子、福島（研究分担者）らが開発したバイオ・（１）水圏電子・イオン機能材料および水圏バイ

環境調和性を有する高分子などをリーディングマテリア

オ・環境機能材料の設計と精密合成

ルとして新たな材料の創製を行います。班内連携として（２）水と材料の相互作用を制御するための分子は、A01-1 と分子集合体構造制御を試みます。班間連携

構造の解明

としては、A02 の先端計測を用いた水和解析とシミュ

1) H. Tsuji, E. Nakamura, Acc. Chem. Res., 2019, 52, 2939.
2) H. Yamagishi, S. Nakajima, J. Yoo, M. Okazaki, Y. Takeda, S. Minakata, K. Albrecht, K. Yamamoto, I. Badía-Domínguez, M. Moreno Oliva,
M. C. Ruiz Delgado, Y. Ikemoto, H. Sato, K. Imoto, K. Nakagawa, H. Tokoro, S.-i. Ohkoshi, Y. Yamamoto, Commun. Chem., 2020, 3, 118.
3) K. Fukushima, K. Kishi, K. Saito, K. Takakuwa, S. Hakozakia, S. Yano, Biomater. Sci., 2019, 7, 2288-2296.

A02-1

水圏機能材料の先端構造・状態解析研究代表者：原田慈久（東京大学物性研究所 教授）・研究分担者：瀬戸秀紀（高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所 教授）
研究分担者：池本夕佳（高輝度光科学研究センター 主幹研究員）・菱田真史（筑波大学数理物質系 助教）
研究協力者：幾原雄一（東京大学大学院工学系研究科 教授）

原田（研究代表者）の放射光軟Ｘ線分光は、界面水の水が材料と接する界面には、材料との相互作用を通じ局所構造解析で威力を発揮します。A01 の液晶高分子をて構造・運動が変化した界面水が存在します。この界面用いた水処理膜がイオンを選択的に透過する新しい機構

水の性質を利用して新たな機能を獲得するのが水圏機能を提案しました 1) 。瀬戸（研究分担者）の中性子散乱は、材料です。その機能発現の本質を理解するためには、幅材料と水の局所構造と運動を定量化する強力なツールで広い空間・時間スケールで水と材料の相互作用を観察すす。中性子小角散乱 2) により、A01 のヒドロキシアパタる先端構造・解析ツールが必要になります。そこで我々は、

イト微結晶にずり流動をかけると、配向した凝集体を形水・材料双方の構造・運動の情報を抽出できる分析手法成する機構をミクロに明らかにしました。池本（研究分を組み合わせ、得られた知見を高機能な材料創製にフィー担者）の放射光赤外吸収分光は、材料と水双方の構造変ドバックする水圏機能材料構築学を創成することを目指化を高感度で追うことができます。A01 の分子性多孔質しています。

有機結晶が水を取り込む様子の観察 3) に成功しています。
一方、水分子の集団的振る舞いは、菱田（研究分担者）のテラヘルツ分光で観測できます。今後は、A03 の水圏電子材料、水圏動的接着材料、生体親和性材料や公募研究の新規材料を対象とし、さらに公募研究の AFM などの顕微手法を取り入れて、A02-2 の分子シミュレーションやスペクトル計算と組み合わせてさらなる機能解明に取り組んでいきます。
（１）水圏機能材料の界面水・材料の構造・運動解析から機能発現機構を解明します。

（２）得られた知見を高機能な材料創製にフィードバックする水圏機能材料構築学を創成します。

1) R. Watanabe, K. Yamazoe, T. Sakamoto, J. Miyawaki, T. Kato, Y. Harada, Angew. Chem. Int. Ed., in press.
2) S. Kajiyama, H. Iwase, M. Nakayama, R. Ichikawa, D. Yamaguchi, H. Seto, T. Kato, Nanoscale, 2020, 12, 11468.
3) H. Yamagishi, S. Nakajima, J. Yoo, M. Okazaki, Y. Takeda, S. Minakata, K. Albrecht, K. Yamamoto, I. Badía-Domínguez, M. Moreno Oliva,
M. C. Ruiz Delgado, Y. Ikemoto, H. Sato, K. Imoto, K. Nakagawa, H. Tokoro, S.-i. Ohkoshi, Y. Yamamoto, Commun. Chem., 2020, 3, 118.
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A02-2

計算科学による水圏機能材料の設計

研究代表者：鷲津仁志（兵庫県立大学大学院シミュレーション学研究科 教授）
研究分担者：渡辺 豪（北里大学理学部 講師）・樋口祐次（東京大学物性研究所 助教）

明します。界面における水の動態に関して、水和およびバルクの水の分子論は、量子化学計算によって水分子流動という主要特性の解明を鷲津（研究代表者）1) が中心二量体の構造が、分子動力学計算によって液体 - 固体間に行い、渡辺（研究分担者）2) の液晶やタンパク質などのの相転移が明らかになったように、かなり理解されつつ機能性高分子の全原子シミュレーションと、樋口（研究あります。一方で、材料表面の水についてはその構造と分担者）3) の高分子物性を解明するための大規模粗視化シ動態は理解されていません。

ミュレーションと連携することで、分子理論解析を行いわれわれは、水圏機能材料における全原子、粗視化分ます。また、水圏機能材料ではスタンダードな手法のな

子、流体の各階層における水圏シミュレーション手法をいマテリアルズインフォマティクス（MI）技術を構築・創出・融合し、水圏機能材料創製の学理構築と設計指針活用し、A01、A03 との班間連携を密に行うことで、領域を提案します。本領域の核として、各班の水圏機能材料全体としての材料の設計・合成から機能発現までの円滑の設計を加速するために、水圏の構造・動態・機能を解な研究推進に理論面から寄与します。現在は、各班のシーズ材料のシミュレーションを行うとともに、マルチスケール計算手法の開発に取り組んでいます。
（１）材料における量子・原子レベル、粗視化分子、流動中の粒子の各階層における水圏シミュレーション手法を創出・融合します。

（２）実験解析で得られた知見との相補的な現象理解に基づく水圏機能融合材料の構造・機能を解明し、その設計指針を確立します。
1) H. Yoshida, T. Kinjo, H. Washizu, Chem. Phys. Lett., 2019, 737, 136809.
2) G. Watanabe, H. Eimura, N. L. Abbott, T. Kato, Langmuir, in press.
3) H. Tsuchiya, Y. Ikemoto, Y. Higuchi, Y. Takashima et al., Biomacromolecules, 2020, 21, 3936.

水圏機能材料：注目の研究「2 次元ナノチャネル構造を有する液晶ナノ高分子水処理膜の開発」
水中の有害物質を高レベルでろ過すること 構造が、分子の形や相互作用の強さで変化すは、安全な水の供給に不可欠です。我々は新 る点に着目しました。棒状の液晶分子を用いたな分離膜として、液晶分子が自己組織的に て、液晶ナノ高分子水処理膜を作製すること形成する規則的なナノチャネルを活用する研 で、親水性部位が２次元の層状ナノチャネル究を進めてきました。これまでに、重合基を 構造となるスメクチック層を形成しました 2)。
持つ両親媒性液晶分子のフィルムを光重合す 得られた膜では、99.9999% 以上のウイルスることで、特異な性質を有する高分子水処理 除去率に加えて、透水性が 20 倍以上に向上膜の開発に成功しました。例えば、試作した し、効率的な水処理の可能性が見えてきまし膜 の な か で、扇 型 分 子 が 形 成 す る 双 連 続 た。スメクチック構造では、透水部分の占めキュービック構造を固定化した膜は、直径 る面積の割合が双連続構造よりも大きく、２25nm の Qβウイルスに対し、99.9999％以 次元チャネル内においては、水分子の運動性上の除去率を示しました 1)。液晶の流動性を が高いことが分子動力学計算から分かりまし

形成に利用することで、均質でピンホールの た。構造の最適化を進めることで、さらに高無い膜となり、高いウイルス除去率を生んだ 効率な水処理膜の開発が期待されます。本研と考えられます。

究は Small 誌より 2020 年 6 月 12 日に出版

本研究では、液晶が形成するナノチャネル し Frontispiece に選ばれました。

スメクチック構造の膜により水中のウイルスを除去するイメージ
Small 誌より 2)( 東大院工・加藤隆史 , 坂本健 )1) N. Marets, D. Kuo, J. R. Torrey, T. Sakamoto, M. Henmi, H. Katayama, T. Kato, Adv. Healthc. Mater., 2017, 6, 1700252.
2) D. Kuo, M. Liu, K. R. S. Kumar, K. Hamaguchi, K. P. Gan, T. Sakamoto, T. Ogawa, R. Kato, N. Miyamoto, H. Nada, M. Kimura,
M. Henmi, H. Katayama, T. Kato, Small, 2020, 16, 202001721.

4水圏機能材料：注目の研究「水分子に応答して色変化を示す分子性多孔質有機結晶」
大気中の蒸気成分を検出する手法の一盛んに研究されています。一方、これらのつに、「ベイポクロミズム」と呼ばれる、 多孔質結晶は、水分子の吸着により配位結物質が特定の蒸気の取り込みや、蒸気との反応により色が変化する現象を活用する方法が知られています。例えば、身近な例として、吸湿により青色から赤色へと変化するシリカゲルが知られています。近年では、分子サイズの非常に小さ大阪大学 准教授

な孔を含んだネットワーク構造を有する

武田洋平 (A01-2 研究分担者 ) 金属有機構造体 (MOF) や共有結合性有機構造体 (COF) のベイポクロミズム特性が合や水素結合などの分子間のネットワークが切断されやすく、湿気の高い環境中では徐々に劣化してしまう欠点がありました。
本研究では、弱い分子間相互作用であるファンデルワールス力のみでπ電子から成る分子が自己集合化した構造体を形成させることで、水分子の吸脱着により顕著に色変化を示す多孔質結晶材料の創製に成功しました。

（阪大院工・武田洋平）

この多孔質結晶は、大気中の水分子をその細孔へπ電子ユニットが回転し、親水的な表面へと変化しま可逆的に取り込んだり放出することができ、乾燥状す。その結果、この結晶は大気の湿度が一定の値を越態（湿度 40% 以下）では材料は黄色、湿潤状態（湿えると急速に水分子を取り込み、それに伴い発色が変度 50% 以上）では深赤色になります。水分子の取化すると考えられます。

り込みに伴う結晶の色変化について、各種スペクト

本研究では、これまで微細孔構造を安定化するため

ル測定（大型放射光施設 SPring-8 の BL43IR で実施） に必要不可欠とされてきたネットワーク構造をもたなおよび X 線解析測定により詳細に解析したところ、 い材料設計に成功しました。これは、耐水性の低さと色変化は、室温において湿度 50% 付近を境に、急いう従来の有機多孔質結晶が抱えていた欠点を本質的激に起こることが明らかとなりました。また、色変に解決しうる技術であり、材料設計の自由度を大きく化の際、結晶構造はほとんど変化しないことがわか広げる重要な知見といえます。

りました。スペクトル情報とその解析から、以下の本研究は本新学術領域内の共同研究（A01-2 武田・ような分子の挙動が示唆されます。もともと多孔質

A02-1 池 本）と し て 行 わ れ、Communications

結晶の孔の表面は疎水的であるため、本来、水分子

Chemistry1) より 8 月 17 日にオンライン公開され、筑の取り込み効率は高くありません。ところが、湿度波大学、大阪大学、九州大学、東京大学、高輝度光科が上昇すると、孔の表面に存在するプロペラ部位の学研究センターから共同プレスリリースされました。

1) H. Yamagishi, S. Nakajima, J. Yoo, M. Okazaki, Y. Takeda, S. Minakata, K. Albrecht, K. Yamamoto, I.
Badía-Domínguez, M. M. Oliva, M. C. R. Delgado, Y. Ikemoto, H. Sato, K. Imoto, K. Nakagawa, H. Tokoro,
S.-i. Ohkoshi, Y. Yamamoto, Commun. Chem., 2020, 3, 118.

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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４号（2020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〒650-0047 神戸市中央区港島南町 7-1-28
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
兵庫県立大学大学院シミュレーション学研究科

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鷲津研究室内