結晶はどうやってできる? その瞬間を見た!

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2022-01-22 東京大学,産業技術総合研究所,科学技術振興機構

ポイント
  • 無秩序な集合体からナノメートルサイズの食塩結晶ができる瞬間、さらにそれが大きく成長する様子を、スローモーション映像として連続的に記録した。
  • 無秩序から秩序が発現していく過程の全体像を初めて観察・測定することで、イオン結晶の生成機構を解明した。
  • 結晶の形を制御することで望みの性質を持った結晶を手にすることが可能となり、製薬・材料分野へ革新をもたらすことが期待される。

人類が結晶を生み出してきた歴史は長く、紀元前より行われてきた製塩はその代表例である。現在では、結晶化は医薬・材料などさまざまな分野において欠かせない技術となっているが、その機構の理解は十分ではない。1913年にX線結晶構造解析法が提唱されて以来、結晶中の原子配列など静的な構造は明らかにされてきた一方で、結晶化という動的な過程を原子レベルで詳細に観察することは困難だった。

今回、東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻の中村 栄一 特別教授らの研究グループは、産業技術総合研究所の灘 浩樹 研究グループ長の研究グループと共同で、無秩序な分子集合体から結晶核が形成される過程を原子分解能透過電子顕微鏡でスローモーション映像として記録することに成功した。結晶化プロセスの最初期段階を空間的に精密に制御することで、これまで困難とされてきた結晶化現象の直接観察を実現した。1分子レベルでの動的挙動解析の結果、これまでその性質が明らかでなかった結晶化前の分子集合体について、結晶とは異なりその構造が動的に変化していることを発見した。本研究は、サイズ・構造選択的な結晶合成手法の開発や、天然の鉱物や歯・骨などの生体鉱物の生成機構解明につながると期待される。

本研究成果は、2021年1月21日(米国東部時間)に「Journal of the American Chemical Society(米国化学会誌)」にオンライン掲載されます。

本研究の主たる成果は、JSPS 科学研究費助成金(課題番号:JP19H05459「分子および分子集合体の動的挙動研究のための分子電子顕微鏡技術の開発」代表者:中村 栄一、JP20K15123「高速分子動画撮影による結晶化過程の四次元解析」代表者:中室 貴幸)および日本顕微鏡学会長舩記念特別研究奨励金(「その場観察によるナノ結晶の動的挙動研究の開拓」代表者:中室 貴幸)の支援により得られたものである。電子顕微鏡の動画記録と画像処理の最適化については、科学技術振興機構(JST) 研究成果展開事業 先端計測技術・機器開発プログラム(課題番号:JPMJSN16B1「原子解像度電子顕微鏡で得られる超高速分子動画の自動化解析技術の開発」代表者:原野 幸治)の支援によって実施された。本研究では、国際科学イノベーション拠点整備形成事業により導入され、東京大学 分子ライフイノベーション機構により運営されている共用機器である原子分解能透過電子顕微鏡(日本電子株式会社製JEM-ARM200F)を利用した。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Capturing the Moment of Emergence of Crystal Nucleus from Disorder”
DOI:10.1021/jacs.0c12100
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
中村 栄一(ナカムラ エイイチ)
東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 特別教授

<JST事業に関すること>
中村 宏(ナカムラ ヒロシ)
科学技術振興機構 産学連携展開部 先端計測グループ

<報道担当>
東京大学 大学院理学系研究科・理学部 広報室
吉岡 奈々子(ヨシオカ ナナコ) 学術支援職員、飯野 雄一(イイノ ユウイチ) 教授・広報室長

産業技術総合研究所 広報部 報道室
科学技術振興機構 広報課

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