「水をはじく」表面で四面体状に組織化する水を観測 ―フッ素化表面から疎水性の分子起源をひもとく―

2026-09-28 東京大学

東京大学物性研究所などの研究グループは、フッ素化された疎水性表面にごく微量の水が吸着した際、水分子がどのような構造を形成するかを分子レベルで明らかにした。研究では、炭化水素鎖とフッ素化鎖を持つ自己組織化単分子膜をモデル表面として、SPring-8やNanoTerasuの放射光を用いた軟X線発光分光により、湿度を制御しながら界面の水をその場観測した。その結果、フッ素化表面では水と表面との相互作用が弱いため、水分子が表面に個別に捕らえられるのではなく、水分子同士が四面体状の水素結合ネットワークを形成することが判明した。分子動力学シミュレーションと量子化学計算も実験結果を支持し、フッ素による電子状態の変化が水と表面の相互作用を弱める機構を示した。成果は、撥水・防汚コーティング、生体適合材料、触媒、水処理膜などの機能性材料設計への応用が期待される。

「水をはじく」表面で四面体状に組織化する水を観測 ―フッ素化表面から疎水性の分子起源をひもとく―
吸着初期における膜界面での水の組織化、疎水性表面による違いのイメージ図

<関連情報>

フッ素化および炭化水素自己組織化単分子膜における疎水性水和のその場軟X線発光分光法および分子動力学シミュレーション による研究 Hydrophobic Hydration at Fluorinated and Hydrocarbon Self-Assembled Monolayers Investigated by In Situ Soft X-Ray Emission Spectroscopy and Molecular Dynamics Simulation

Yusuke Tomiyori;Hisao Kiuchi;Kosuke Funahashi;Wenxiong Zhang;Yoshihisa Harada
Langmuir  Published:September 28, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6c02250

Abstract

We investigated the hydrogen-bonding state and spatial distribution of water at hydrophobic self-assembled monolayer (SAM) interfaces formed by fluoroalkyl and hydrocarbon chains using in situ soft X-ray emission spectroscopy (XES) and molecular dynamics (MD) simulations under controlled humidity conditions. Under low water coverage, the hydrocarbon-based SAM exhibited spectral features attributed to isolated water molecules, while the fluorinated SAM showed signatures indicative of tetrahedrally coordinated hydrogen-bond networks. MD simulations revealed that water molecules at the fluorinated SAM interface preferentially populate the second hydration shell around polar functional groups rather than directly occupying the first shell, consistent with the XES observations. Natural bond orbital (NBO) analysis demonstrated that the inductive effect of fluorine suppresses charge localization at the amide group in the fluorinated SAM relative to the hydrocarbon-based SAM, weakening direct water–surface hydrogen bonding and promoting water–water network formation. These results suggest that fluorinated SAM interfaces enhance hydrophobicity, in part, by promoting extended tetrahedral water–water networks characteristic of hydrophobic hydration, rather than by direct water exclusion. These findings provide molecular-level insights into structure–property relationships in SAM-based materials and inform the design of water-repellent surfaces and fluorine-reduced hydrophobic coatings.

0502有機化学製品
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