自然に学ぶ研究事例

チューブへと積層するナノリング集合体

有機化合物を溶液中に溶かすだけで、容易に直径40ナノメート程度のナノリングをつくることができ（左上）、これらは温度や光によってチューブへと積層する（右下）。写真は、原子間力顕微鏡（AFM）で撮影したもの。

物質がナノスケールになると、結晶や膜などの材料に比べて、光学特性や電気的特性、力学的特性、触媒的特性など、材料としての機能が劇的に異なってくることから、材料科学の新境地としてさまざまな研究が活発に行われています。そして、１分子の形状設計に留まらず、分子が自己集合してつくる集合体の構造制御の研究が世界的に活発化してきています。

これまで開発されたナノ構造体の多くは、１次元のファイバー（繊維状）やロッド（棒状）でしたが、近年、リング状や球状などの閉じたナノ構造体の開発が活発化しています。その１つに、光合成細菌に着目してナノリングを形成する研究があります。光合成細菌の光捕集アンテナ器官は、らせん状のポリペプチドとクロロフィル色素が集積して５〜10ナノメートルのリング（円環）状になっており、色素会同士が非常に均一な相互作用を形成することで、光を効率よく集め、そのエネルギーを必要なところに迅速に送ることができるのです。

このようなナノリングを構築するために、官能基を工夫することで、電子が動きやすいという特性をもつπ共役分子を用いた研究が行われています。そして、溶液中に溶かすだけで、水素結合により分子が自発的に積層し、直径40ナノメートル程度の均一な発光性リングをつくることに成功しました。また、リングの溶液を基板状で乾燥させることで、透明なフィルムが形成できることも実証されています。また、光応答部位を導入することで、光に応答してリングが積み重なったり、開く現象も確認されています。

たとえば、グラファイトの基板状にリングを並べてテンプレートとし、リングの穴にフラーレンなどを吸着させてリングを焼いて除去すれば、一定の間隔でパターニングすることができます。ナノリング集合体の研究は、光機能材料に留まらず、さまざまな材料への応用に加えて、新たな機能性材料の生産プロセスへも展開する可能性を秘めているのです。

矢貝史樹准教授 千葉大学大学院 工学研究科 夢は人工細胞をつくること われわれの研究室では、応用研究と分子の構造を制御する研究を行っています。学生の多くは、たとえば太陽電池の研究とか、目的がはっきりした研究をやりたがります。しかし、少しの工夫で分子とその集合体の構造を制御すれば、未知の現象や機能が生まれるのです。地道な研究ですが、いつか応用研究につながる物質を生み出すことになると考えています。 目標の１つは、マイクロカプセルのようなポリマーに溶液を入れ、その中でリングやファイバー、ベシクル（袋状膜）などのナノ集合体がダイナミックに動き、磁場や光などの刺激に応じて、たとえば発光したりゲル化したり、刺激で大きく構造が変わって異なる機能が発現する溶液デバイスをつくることです。溶液中での分子集合体の動きは、タンパク質の挙動とよく似ています。将来的には人工細胞をつくりたいですね。