超分子ポリマーの新しい構造解析法の発明

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プレスリリース

研究のポイント

従来不可能であった超分子ポリマーの構造と機能を同時に観察する新たな構造解析法の発明

環状分子のシクロデキストリンが包接したポリエチレングリコール鎖の構造解析に成功

高速原子間力顕微鏡による超分子ポリマーの両端がエンドキャッピングされた構造の解明

　北陸先端科学技術大学院大学（学長・寺野稔、石川県能美市）物質化学フロンティア研究領域の堀諒雅大学院生（博士後期課程）、篠原健一准教授は、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いた固液界面における一分子イメージングにより、従来不可能であった超分子¹ポリマー²の構造解析に成功しました。この成果は、超分子材料のさらなる機能解明に繋がるものであり、将来の分子マシンの開発に一石投じる発見です。

【研究背景と内容】
　ポリマー分子の構造解析法は、ポリマー材料のさらなる機能化のため必要な技術です。中でも超分子ポリマーは単一分子内に動きを伴うため、そのダイナミクスを解明することが重要となります。
　従来の超分子ポリマーの構造解析には、核磁気共鳴分析（NMR）による分光法や顕微鏡法が主に用いられてきました。しかし、これらの手法では構造あるいは機能のいずれかしか確認できず、それらを同時に観察することは困難でした。特に今回観察した分子ネックレス構造³は水中で不安定であり、さらに溶解性が低いことが問題となり、その詳細な構造と機能を観察することが難しいとされてきました。
　今回、高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いたことにより、従来不可能であった超分子ポリマーの構造と機能を同時観察する新たな手法を発明することができました。本手法では、1ミリリットル当たり1マイクログラム未満という低濃度の溶液を用いて超分子ポリマーを基板に固定することで、これまでの問題点を解決しました。
　具体的には、シクロデキストリンという環状分子がポリエチレングリコールという長鎖分子に包接した、いわゆる分子ネックレス構造を高速AFMを用いて直接観察し、その分子の構造とダイナミクスを確認することに成功しました（図1）。なお、この分子の構造とダイナミクスは、全原子動力学（全原子MD）シミュレーションによって再現され、実験結果とも整合性が確認されています。本研究成果は、超分子材料の構造特性や機能解明に大きく貢献するものであり、特に分子レベルでの精密な構造制御が求められている次世代の分子マシンの開発に一石を投じる発見です。今後、本手法を応用することで、超分子ポリマーの新たな設計の可能性を拓かれることが期待されます。

図 1　高速AFMで観察された分子ネックレスの構造とそのダイナミクス、および全原子MDシミュレーションを用いたダイナミクスの再現。

　本研究成果は、高分子化学のトップジャーナルであるアメリカ化学会のMacromolecules誌に掲載されました。なお、本研究は、日本学術振興会　科学研究費助成事業基盤研究（C）「23K04520」、JST次世代研究者挑戦的研究プログラム「JPMJSP2102」の支援を受けたものです。

論文情報

掲載誌	Macromolecules
論文題目	Direct Observation of "End-Capping Effect" of a PEG@α-CD Polypseudorotaxane in Aqueous Media
著者	Ryoga Hori, and Ken-ichi Shinohara
掲載日	2025年3月4日
DOI	https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c02491

用語説明

1. 超分子：共有結合を介さず分子のような振る舞いをする構造体。 2. ポリマー：共有結合を介してモノマーが結合した長い鎖状の構造体。 3. 分子ネックレス構造：環状の構造を有する分子（今回はα-シクロデキストリン）が鎖状分子（今回はポリエチレングリコール）を包接したネックレス構造を有する分子複合体。

令和7年3月11日