研究内容

私たちの研究について〜分子集合体を創る〜

分子集合体とは、ズバリ分子が集まったものです。これは液晶とか結晶も含まれるかもしれません。もう少し範囲を狭めると、超分子化学っていう分野があります。
超分子(Supramolecular)という単語はそのまま読み取ると、ちょーすごい分子ってことになるけど、superではなくsupraなので、もはや「分子を超えた存在」という意味が込められているのでしょうか。
分子も人間と同じで、一人ではできることが限られていますが、何人か集まったり、あるいはたくさん集まると、分子それぞれでは考えられないような性質や機能が生まれたりします。こういう化学を扱うのが、超分子化学です。
分子集合体超分子は、自然界にこれでもか!というくらい存在します。
例えば細胞の中では、タンパク質分子やDNAなどが集まって多様な分子集合体超分子を形成しています。
ウイルスなんかも分子集合体といってもいいかもしれません。
私たちの研究室では、特別にデザインされた新しい分子を有機化学の力で合成し、それらを集合させることで前例のない唯一無二の超分子や分子集合体を創出します。

研究スタイル

研究室に入ると、まず数ヶ月から半年ほどかけて、世界に一つしかない分子を合成します。自分だけの分子ってすごいですね。分子が完成する前から興奮しますね。でも焦らず、じっくり色々な合成法を学んでください。
ターゲットとする分子が完成すると、その分子が集合する条件を見つけます。非常に小さな構造を見ることができる特殊な顕微鏡を用いて集合体の構造を探り、さらに様々なスペクトルを測定して、その構造の裏付けを行います。その後、自分が作った集合体がどんな特別な性質を持っているか、どんな新しい現象を示すか、分子の本質を求めて長〜い旅に出ます。

ターゲットとなる分子の設計(分子デザイン)は、まず初めは私が大学院生と相談して決めますが、うまくいかないこともあるので、失敗したらゴメンって謝ってます。私も結構凹んでますので許してください。しかし!失敗した時こそチャンスです。分子は必ず何らかの暗号を出してくれます。その暗号を読み解くと、次にやるべきことが自ずとわかってくるかもしれません。あるいは、失敗だと思っていたことが、全く新しいサイエンスの始まりだったということもこれまでにたくさんありました。
詰まることころ、ウチにはハズレテーマなし!

研究内容

これまでにどんな分子集合体を世に送り出したか、超簡単に紹介します。

トポロジーを有する超分子ポリマーの創製と応用

メインテーマですが、特殊な分子デザインで裏打ちされた芳香族系の分子を集合させ、美しく機能的な超分子ポリマーを創ります。超分子ポリマーとは、モノマー分子は非共有結合で連がって、まるでポリマーのような鎖を形成したものです。
簡単に誰でも重合できるので、今とっても流行っている研究分野です。
私たちの研究室では、これまでに誰もみたことがないようなうっとりするような一度見たら忘れられないような構造を持つ超分子ポリマーをたくさん発表してきました(Acc. Chem. Res. 2019)。例えば、リング(環)が例に挙げられます。私たちの身の回りには、たくさんのリング状の道具や構造体があります。それらは意味があって環構造をしているはずです。そこで超分子ポリマーでリングを作る研究に取り組み、世界で初めて均一な輪っかを作ることに成功しました。
( J. Am. Chem. Soc. 2009, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, J. Am. Chem. Soc. 2012, Angew. Chem. Int. Ed. 2016)。
でも作ったはいいんですけど、私たち自身、どんな風に使えるのかさっぱりわかりませんでした。別に面白いからいいんですけどね。しかし、思わぬ展開があり、時間はかかりましたが、輪っかで止まらずにどんどん繋がってラセンを形成させることに成功しました!
しかも、この螺旋はちょっとすごくて、初めは乱れているけど、放置しておくだけで超美しいラセンに折りたたまれるんです(Science Adv. →プレスリリース:http://www.chiba-u.ac.jp/general/publicity/press/files/2018/20180910_polymar.pdf)

リングとラセン・・・ゾクゾクしますね。ジャパニーズホラーの醍醐味ですね。

 

光応答性超分子ポリマー

私たちの目はなぜ見えるんでしょう?実は、分子が光を吸収して形を変える(異性化)が視覚の根源です。
ものが見えるなんてえらいハイテクなようで、実は分子の機械的な動きが重要なんですね。
この仕組みを真似ることで、超分子ポリマーの形を変える研究をしています。
例えば、私たちの作ったラセン状の超分子ポリマーは、紫外光をあてると、粒になったり( J. Am. Chem. Soc. 2005, Angew. Chem. Int. Ed. 2014)、ほどけて伸びたりするんです!(Nature Commun. 2017→プレスリリース
後者のはまるでタンパク質の変性みたいで、結構インパクトがありますね。やっぱりゾクゾクします。
最近は光を当てるとパカっと開いて伸びていくびっくりなリングを作ることにも成功しています(Angew. Chem. Int. Ed. 2019)。

また、異性化ではなく、分子間で光反応を起こし、別の集合状態へと変化する集合システムも見出だしています(Nature Commnun. 2015→プレスリリース)。

メカノ応答性分子集合体

ちょっと異質な研究ですが、ひょんなことから、こすると発光色が変わる分子集合体を見つけました。
色々調べると、準安定構造ってのが鍵ってことがわかりました。
Nature Commun. 2014→プレスリリース
研究を続けるには安定した精神力が必要ですが、分子集合体の世界では準安定がアツいんです。
最近はここに光異性化を組み合わせるなんてことにも挑戦し、光で結晶化を制御することに初めて成功しました(Comms. Chem., 2018)。

最近は超分子ポリマーに押されがちで、これをテーマにしている学生さんは今はいないのですが、うちでメカノやりたい!って人がいたら、新しくテーマを考えてもええで。

超分子材料を用いた効率的な太陽電池の開発

こちらのテーマも今は都合により誰もやっていませんが、過去に超分子材料で太陽電池を作る試みを行っていました。 その中で、水素結合を用いた効率的な有機太陽電池材料の開発にも世界で初めて成功しました。
水素結合なんて使ったら太陽電池なんて作れないって言われてたので、悔しくて挑戦してみたら変換効率3%まで行きました。今ではそれほど高い性能ではないですが、当時は結構画期的でした。
Chem. Eur. J. 2014; Sci. Rep. 2016→プレスリリース
さらに学生さんがチョチョイって冗談半分で分子構造をマイナーチェンジしたら、綺麗な螺旋構造が出来上がって、4.5%もいっちゃいました。(Chem. Sci. 2018)
私は無駄なことはやめとけって言ったんですけどね。立場ないですよね。

 

まとめると

とまあ、ここまでツラツラと難しいことを書いてしまいまいたが、要は
分子を「作って」「集めて」「おもろいこと起こらんかなあっていじくりまわす」スタイルです。
狙っているふりをしつつ、分子任せの研究スタイルですが、分子の声を聞こうと必死で頑張っている人には分子が微笑んでくれるもんです。
百読は一体験に如かず・・・自分で創った分子がどのように集合するか、その目で確かめてみませんか?

 

コチラの危険動画も参考にしてください→研究紹介動画

インタビューもよろしければどうぞ→Chem-Stationインタビュー