【研究分野】機能物性化学

【研究領域課題番号】16H04129 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

二分子膜 / イオンチャネル / 分子機械 / 相転移 / ヒステリシス / メカノセンシティブチャネル / 両親媒性分子 / 刺激応答性 / 熱応答 / オリゴエチレングリコール / マルチブロック分子 / マルチブロック / メカノセンシティブイオンチャネル / 張力 / マルチブロック構造 / 超分子化学 / ポリエチレングリコール / 生物模倣 / 自己組織化 / 分子デバイス

【研究成果の概要】

細胞膜に含まれるタンパク質の構造を模倣し，水との親和性の高い親水部と親和性の低い疎水部を交互に連結した交互両親媒性骨格を有する分子を設計し，その合成法を確立した。力学的エネルギーや熱などの外部刺激に応答して分子構造や集合形態の変化をおこし，その結果として物性を変化させることのできる，刺激応答性分子素子の開発に成功した。

【研究の社会的意義】

本研究の成果は，細胞内でタンパク質により行われている様々なセンシング，例えば温度センシングや力学センシングを，人工分子でも実現できることを示した先駆的な結果であり，ナノメートルサイズの微小センサーを構築する分子設計を可能とする，大きなブレークスルーをもたらすことが期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】16K14074 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子機械 / 開環重合 / 高分子機械 / 主鎖型高分子機械 / 高分子トポロジー / 粘弾性 / 流動性 / 高分子アーキテクチャ / 刺激応答材料 / 自己組織化 / 高分子合成 / 高分子構造・物性 / 超分子化学 / ナノ材料

【研究成果の概要】

本研究では、環ひずみを誘起可能な環状分子機械をモノマーに、主鎖繰り返し単位が分子機械からなる主鎖型高分子機械を合成した。一方、紫外光照射下で切断されるが非照射化では再形成する共有結合を駆使することで高分子トポロジーの組換えを数分以内に達成できる物質の開発に成功し、無溶媒下で粘弾性を制御可能な物質、さらには流動・非流動状態をも制御可能な機能物質の創製に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】機能物性化学

【研究領域課題番号】15H05481 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己組織化 / ペプチド / 配位結合 / フォールディング / ナノ構造 / 結晶材料 / ナノ材料 / 分子認識 / 超分子化学

【研究成果の概要】

短いペプチドと金属イオンを混ぜ合わせることで自発的に組み上がる細孔性ペプチド結晶は、簡便な合成法ながら精密なナノ空間を有する。本研究では、用いるペプチドの化学修飾により、ナノ空間のサイズを1.5～2.8ナノメートルまで系統的に作り分けることに成功し、そのサイズに応じた分子包接挙動を明らかにした。さらに、ペプチド配列設計に基づき、ユニークな絡まり構造をもつ分子や天然に存在するβバレル構造の精密模倣構造の創出にも新たに成功した。

【研究の社会的意義】

自然界のタンパク質の精密かつ機能的な分子構造は、長いペプチド鎖の非常に複雑な自己組織化過程を経て構築され、これを人工的に模倣することは合成学的に未だ不可能である。本研究では、短いペプチド鎖と金属イオンを混ぜ合わせる独自の自己組織化方法を考案し、簡便な合成法ながら様々な新奇ナノ構造の構築に成功した。これらはタンパク質の精密な模倣を可能にするとともに、前例のないユニークなトポロジー構造も含まれ、ナノ構造構築における革新的な合成手法としての学術的意義を示すものである。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】24,570千円 (直接経費: 18,900千円、間接経費: 5,670千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】24350055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

へテロ接合 / 自己組織化 / 分子集合体 / 有機半導体 / 有機薄膜太陽電池 / 分子性固体 / 超分子化学 / 有機化学 / ヘテロ接合 / 超分子科学

【研究成果の概要】

分子構造と分子間相互作用を利用し、電子的に異なる分子コンポーネントを、ナノスケールの精度で空間特異的に接合するための方法論の開拓を目的に研究を推進した。電子ドナーとアクセプター部位を組み込んだ新しい有機半導体を提案し、その分子を用い光電変換素子の作製と評価を行った。また、大面積でヘテロ接合界面を有する薄膜材料を構築するためのモチーフとして、自発的垂直配向性を示すカラムナー液晶や、π電子系カラムナー液晶の垂直配向を実現するドーパントを見出した。分子レベルのヘテロ接合とその構造の大面積化を可能にする分子骨格の開発に着手し、極めて高い構造秩序を有する有機薄膜を得るための合理的な設計指針を見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】23655118 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超分子化学 / 自己組織化 / 錯体化学 / ペプチド / 多核金属錯体 / 金属錯体 / フォルダマー / 超分子 / オキシム / 二次構造 / 構造変換

【研究成果の概要】

本研究では、生体高分子の一つであるポリペプチドの構造多様性、機能性を飛躍的に向上させる新規なペプチド型機能性分子モチーフを創製することを目指し、水素結合に代えて多点金属配位によって高次構造へとフォールディングするメタロペプチドフォルダマーを構築することを目標とした。実際に、主鎖にオキシム基を組み込んだオキシムペプチドを新たに合成することにより、金属錯体形成反応を介して様々な単核・多核錯体型二次構造へと一義的にフォールディングすることを明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】23245030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

構造・機能材料 / 液晶 / 自己組織化 / 超分子化学 / ナノ材料 / 電子・電気材料 / 分子集合体

【研究成果の概要】

本研究プロジェクトでは、新しい電荷輸送性液晶物理ゲルの開発に焦点をあて、次に示す電子活性自己組織化材料を構築した：（１）スルホニル基の双極子相互作用による一次元組織化を活用した電場配向性カラムナー液晶の開発、Ｘ字分子構造を有するピレンオリゴチオフェン共役カラムナー液晶／水素結合性自己組織化ファイバーからなるホール伝導性液晶物理ゲルの創製およびメカノクロミック発光材料の構築、（３）磁性およびレドックス活性を示す安定有機ラジカル部位を有するアミノ酸誘導体の自己組織化ファイバーの開発と配向制御。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】無機化学

【研究領域課題番号】22350025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超分子化学 / 自己集合 / 多核錯体 / 自己組織化 / ヘキサフェニルベンゼン / 分子カプセル / 分子運動素子 / ナノカプセル / 配位子交換 / Zn(II)イオン

【研究成果の概要】

本研究では,C3対称性を有するヘキサフェニルベンゼン誘導体をヘキサフェニルベンゼンから2段階で簡便に合成する手法を開発した.この手法を用いて3つのピリジル基を有するC3対称の三座配位子を合成し,これとZn(II)イオンから八面体型カプセル錯体を形成し,その内部に位置するアニオン性配位子を選択的に他のスルホナート系単座配位子と交換することにより,内部空間を様々な官能基で修飾することに成功した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】22750099 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ポリロタキサン / 環動性 / 有機・無機複合材料 / ミセル / 環動ゲル / スライディ ング転移 / エントロピー / 粘弾性緩和 / 有機無機ハイブリッド / シリコーン / ダイナミクス / スライディング転移 / スライディング弾性 / 超分子化学 / 自己組織化 / 有機・無機複合材

【研究成果の概要】

有機成分と無機成分の相対的位置変化が可能な革新的な有機-無機ハイブリッド材料の創成を目指し、前駆体であるポリロタキサン溶液の構造解析を行い、一分子内での各成分の分布を明らかにした。この凝集形成に及ぼす末端封鎖基の効果を調べるため、ポリロタキサンの新規合成法を開発した。合成法開発の結果得られた新規ポリロタキサンを架橋した環動材料の粘弾性測定より、各成分の相対位置変化に相当するダイナミクスを初めて捉え、環動材料の弾性の起源に関する新たな知見を得た。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】機能材料・デバイス

【研究領域課題番号】21350108 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ構造 / 自己組織化 / 超分子化学 / 電子供与体 / 電子受容体 / 太陽電池 / 分子性固体 / 有機化学 / ヘテロ接合 / ナノチューブ / オルトフェニレン

【研究成果の概要】

高効率有機薄膜太陽電池へ向けた材料設計では、電子およびホール輸送性を示す分子をそれぞれナノサイズの集団として区画化し、広い接触面積をもって接合させる手法の開拓が鍵となる。本研究では、一つの理想系として、構造明確なナノスケールの異種分子集合体を一次元で精密接合した物質を世界で初めて実現した。さらに本研究過程において、複数の液晶発現基を側鎖に導入した高分子が大面積集積化する現象を偶然見出し、その発見に基づき、新たな光エネルギー変換材料を開発した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】17350065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イオン性液体 / 液晶 / 超分子 / 自己組織化 / ナノ相分離 / 異方性 / イオン輸送 / 物質輸送 / イオン液体 / 超分子化学 / ナノ構造

【研究成果の概要】

高機能材料の構築において、分子の自己組織化プロセスの活用が注目を集めている。中でも、分子が動的な秩序構造を自発的に形成する液晶は、イオンや電子を異方的に輸送する場として極めて有用である。本研究では、イオン液体などのイオン性分子の液晶化と配向制御による高機能イオン輸送材料の構築を目的とした。イミダゾリウム型イオン液体のカラムナー液晶化と高分子フィルム化、スピロピラン誘導体のカラムナー液晶化により、新しい一次元イオン伝導体を開発したので以下に示す。
(1)一次元イオン伝導性高分子フィルム
重合性アクリル基を有する扇形分子構造のイミダゾリウム型イオン性液体を設計・合成した。この分子は20〜50℃までヘキサゴナルカラムナー液晶性を示した。アミノ基修飾ガラス基板上でのカラム構造の均一垂直配向を達成した。また、機械的なせん断力の印加により、基板上でカラム構造を水平配向させることにも成功した。液晶状態の試料に紫外線照射するととにより重合を行なったところ、カラムの均一な配向殊序が固定化された高分子フィルムが得られた。カラム軸に平行な方向のイオン伝導度は、垂直な方向のイオン伝導度よりも高く、100℃において約1500倍の異方性を示した。
(2)カラムナー液晶性スピロピラン誘導体
扇形分子構造のスピロピラン誘導体を設計・合成した。この分子単独では、非液晶性であるが、4-メチルベンゼンスルホン酸やメタンスルホン酸などの酸性分子を導入することにより、イオン性のメロシアニン構造へと異性化させ、カラムナー液晶性を発現させることに成功した。ガラス基板上でこのカラムナー液晶に機械的なせん断力を畑えたところ、カラム構造を基板表面に対して水平に一軸配向させることができた。くし形金電極付きガラス基板を用いて、配向させたカラムナー液晶のカラム軸に平行および垂直方向のイオン伝導性を測定した。液晶状態では、カラム軸方向の伝導度は垂直方向よりも高い値を示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】7,400千円 (直接経費: 7,400千円)