千葉大,鏡像体混合物の偏りで螺旋の巻き⽅向を増幅

千葉⼤学の研究グループは,右⼿と左⼿の関係(鏡像関係)にある分⼦を⽤いることで,分⼦のわずかな⾮対称性の偏りが階層的な⾃⼰集合により増幅される現象を発⾒することに成功した(ニュースリリース)。

同じキラル分⼦が結びつくと,巻き⽅向のそろった「螺旋構造」を有する⾼分⼦や超分⼦が形成される。これらの材料は,左⼿分⼦と右⼿分⼦の作り分け(不⻫触媒)や分離(光学分割)などの機能を⽰すほか,⽣体内においても⽣命活動に関わる細胞⾻格を形作っている。

巻き⽅向のそろった螺旋構造を得るためには,⼀般的には⽚⽅の鏡像体からなるキラル分⼦が必要だが,⼤量に得るには莫⼤なコストが⽣じる。⼀⽅で,鏡像関係にあるキラル分⼦が混ざっている場合,わずかな混合⽐の偏り(⾮対称性)が増幅され,得られる螺旋構造の巻き⽅向が⼀⽅に偏る。

この現象を利⽤すれば,安価に合成可能なラセミ体(鏡像体の1:1混合物)にどちらかの鏡像体を少量混ぜるだけで,巻き⽅向がそろった螺旋構造が得られると期待できるが,これまで⽣体系にみられるような,分⼦が螺旋構造へと階層的に集合するような複雑な系においては報告がなかった。

研究では,室温においてナノリングを形成し,0°Cにするとナノリングが重なってナノチューブへと階層的に集合するキラル分⼦を⽤いることで,鏡像体の混合物の⾮対称性が階層構造においてどのように増幅するか調査した。

その結果,分⼦レベルのみで知られていた,鏡像関係にある構造が別々に会合する現象である「キラル⾃⼰選別」が,今回初めてナノスケールの構造体(ナノリング)が階層的に⼤きな螺旋構造(ナノチューブ)を作る過程において起こることを⾒出した。

また,ナノリングがそれ⾃⾝の巻き⽅向を互いに認識することを利⽤し,ナノチューブ形成時における⾮対称性の増幅の度合いを,サンプルの調製法で変化させることに成功し,鏡像体の混合物のわずかな⾮対称性の偏りが階層的な⾃⼰集合により螺旋の巻き⽅向の⼤きな偏りへと増幅される現象を⾒出すことに成功した。

これは,合成コストが低いラセミ体とわずかな量の鏡像体を⽤いることで,巻き⽅向のそろった⼤きな螺旋構造を安価に作製できることを意味している。

次世代の機能性材料は分⼦等が複雑な階層的⾃⼰集合を経て製造されると予想される。研究グループは,この研究から得られた知⾒を活⽤することで,螺旋構造を鍵とした新規な電⼦・光学材料をより安価に製造することが期待されるとしている。

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