東北大学、炭素と水素のみでも二輪型分子ベアリングが自己選別的に組み上がることを発見

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東北大学は2016年11月17日、炭素と水素の2つの元素のみから成る単純な二元素分子でも、球状分子を2つ連ねて「車軸」のようにして使うと、「自発的」に「相手を選んで」二輪型分子ベアリングが組み上がることを発見した。

東北大学原子分子材料科学高等研究機構の研究グループはすでに、輪状分子(有限長カーボンナノチューブ分子)と球状分子(フラーレン)が強固な力で結びつき、「分子ベアリング」が組み上がることを報告している。今回の研究では、2つ連ねて「車軸」のようにした球状分子を使うと、ベアリングの組み上げの際に「自己選別組み上げ」が起きることが明らかになった。

研究グループは最初に、部材が同一で形がほんの少し違う2種類の輪状分子を車軸分子に混ぜた。そうすると、輪状分子は両方ともそれぞれ車軸分子と同じ強さ・同じ力で二輪型分子ベアリングを形成した。

次に、赤の輪状分子と赤・青の輪状分子の2種を混合して車軸分子に混ぜた。すると予想に反して、異種混合の二輪型分子ベアリングは全くできなかった。赤の輪状分子は赤の輪状分子と組となり、赤・青の輪状分子は赤・青の輪状分子と組となることで、同種二輪型分子ベアリングのみができあがった。

このように、「車軸」のようにした球状分子を使うと、ベアリングの組み上げの際に自己選別組み上げが起きる。実際の実験では、赤の輪状分子と赤・青の輪状分子をそれぞれ20京個ずつ、20京個の車軸分子と混ぜ合わせると、異種混合二輪型分子ベアリングが0個、同種二輪型分子ベアリングがそれぞれ10京個ずつできあがった。

この現象は、自分自身と同じもの同士が選ばれることから、「ナルシシスティック自己選別」と呼ばれる。ナルシシスティック自己選別は、複雑な構造を持つ生物分子の世界では知られていたが、2つの元素のみから成る単純な分子によって実現されるのは思いも寄らないことだったという。なお、研究グループは二輪型分子ベアリングの構造を単結晶X線構造解析で解き明かし、内部の車軸分子が回転している可能性を見出している。

今回の研究成果は、炭素と水素のみから成る分子間に働く力(ファンデルワールス力)のみで高度・精緻な分子認識が実現できることを示した。この成果は、ナノサイズの分子機械の世界でも「部品が自ら相手を選び、正しい組み合わせで望みの構造ができあがる」ことが可能であることを示した点でも重要だという。

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