界面で流動性を失う水分子の直接可視化に成功

ad
ad

原子間力顕微鏡による炭酸カルシウム表面の水和水の粘性測定

2019-03-29 京都大学

 山田啓文 工学研究科教授、小林圭 同准教授、梅田健一 同研究員(現・金沢大学特任助教)、湊丈俊 産官学連携本部特定准教授らの研究グループは、液中環境下で動作する原子間力顕微鏡(AFM)を用いた3次元フォースマッピング法により、炭酸カルシウム結晶の表面において、分子レベルでの水和構造の直接可視化に成功し、カルシウムイオン上の水分子の流動性が局所的に低くなる(粘性が局所的に高くなる)ことを世界で初めて実験的に見いだしました。

 本研究により、固体と液体の界面に存在する水和殻(界面水)および水和殻内の水分子の流動性(あるいは粘性)を直接可視化する新たな手法が確立されました。

 本研究成果は、今後、固液界面における物理・化学現象を利用する種々のセンサー、ナノ粒子や分子標的治療薬の開発への応用などが期待され、さらには、二酸化炭素の鉱物固定化やバイオミネラリゼーション(生物による鉱物形成)の素過程の理解に対しても寄与することが考えられます。

 本研究成果は、2019年3月21日に、国際学術誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

図:(左)固液界面の3次元水和構造、(右)および水分子粘性マップ

詳しい研究内容について

界面で流動性を失う水分子の直接可視化に成功!

―原子間力顕微鏡による炭酸カルシウム表面の水和水の粘性測定―

概要

 京都大学大学院工学研究科 山田啓文 教授、小林圭 同准教授、梅田健一 同研究員( 研究当時、現 金 沢大学ナノ生命科学研究所特任助教)、京都大学産官学連携本部 湊丈俊 特定准教授らの研究グループは、 液中環境下で動作する原子間力顕微鏡 (AFM)を用いた3次元フォースマッピング法により、炭酸カルシ ウム結晶の表面において、分子レベルでの水和構造の直接可視化に成功し、カルシウムイオン上の水分子 の流動性が局所的に低くなる 粘性が局所的に高くなる)ことを世界で初めて実験的に見いだしました。 この研究によって、固体と液体の界面に存在する水和殻 (界面水)および水和殻内の水分子の流動性 (あ るいは粘性)を直接可視化する新たな手法が確立されました。今後、固液界面における物理 化学現象を 利用する種々のセンサー、ナノ粒子や分子標的治療薬の開発への応用などが期待され、さらには、二酸化 炭素の鉱物固定化やバイオミネラリゼーション (生物による鉱物形成)の素過程の理解に対しても大きく 寄与するものと考えられます。

 本研究成果は、2019 年 3 月 21 日に、米国物理学会科学誌 「Physical Review Letters」に掲載されまし た。

固液界面の3次元水和構造(左)、および水分子粘性マップ(右)

1.背景

 液体中における固体の表面近傍、すなわち固液界面は、結晶成長、触媒反応、潤滑 摩擦などさまざまな物 理 化学現象や、生体分子の特異結合 吸着などの生化学過程を引き起こす活性場として極めて重要な役割を 担っています。例えば、二次電池や燃料電池における電極反応は、固液電極界面上のイオンが形成する電気二 重層内で進行します。あるいは、生体適合性を左右するタンパク質分子の材料表面への接着性は、界面に形成 される水和殻/水和構造 (*1)およびその水分子挙動に強く関連しています。通常の水分子はランダムに熱運 動 (拡散)していますが、水和殻内の水(= 界面水)は表面と強く相互作用するため、通常の水に比べ、その 熱運動は著しく抑制され、水分子の流動性は局所的に低下し、粘性が高くなると考えられています。

 このような界面水における水分子挙動 (もしくは溶媒分子挙動)は、上述した物理 化学現象や生体分子の 機能発現と密接に関係しており、分子レベルで界面水の粘性分布を測定することで、こうした現象の理解は飛 躍的に進むことになります。界面における水の粘性ま たは拡散速度は、核磁気共鳴 (NMR)によって計測可 能ですが、NMR の空間分解能は低いため (原子サイ ズに比べるとその数万倍)、界面における水分子挙動 を知るには分子動力学( MD)シミュレーションによ って予測するほかありませんでした。

  京都大学大学院工学研究科の山田啓文 教授、小林 圭 同准教授、梅田健一 同研究員 研究当時、現 金 沢大学)、京都大学産官学連携本部の湊丈俊 特定准教 授らの研究グループは、液中環境下で動作する原子間 力顕微鏡 AFM)を用いた3次元フォースマッピング 法により、炭酸カルシウム結晶の表面において、分子 レベルでの水和構造の直接可視化に成功し、カルシウ ムイオン上の水分子の流動性が局所的に低い 粘性が 高い)ことを新たに見いだしました。

タイトルとURLをコピーしました