最小ダイアモンド分子を筒状分子に詰めた分子機械 固体のなかの超高速回転「テラヘルツ回転周波数」の実現

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2021-08-25 東京大学

磯部 寛之(化学専攻 教授)
松野 太輔(化学専攻 助教)

発表のポイント

  • 筒状分子と最小ダイアモンド分子を組み合わせた分子ベアリングをつくりだしました。
  • 筒状分子が「外枠」、最小ダイアモンド分子が「内部回転子」となる小さな分子の機械「分子ベアリング」ができあがったものです。
  • この分子ベアリングの回転速度を測定したところ、「回転周波数がテラヘルツ領域にある」という超高速回転が、固体のなかで実現できることがわかりました。最近注目されているテラヘルツ科学・技術への展開が期待されます。

発表概要

東京大学大学院理学系研究科の磯部寛之教授の研究グループは、筒状分子と最小ダイアモンド分子(アダマンタン)を組み合わせた小さな分子の機械「分子ベアリング(注1)」をつくりだしました。筒状分子は主にsp2炭素(注2)からできており、最小ダイアモンド分子は主にsp3炭素(注3)からできていることから、種類の異なる炭素原子を組み合わせることでつくりあげられたハイブリッドナノカーボンです。このハイブリッドナノカーボンは固体中で内部の最小ダイアモンド分子が超高速回転しており、「回転周波数がテラヘルツ領域にある」ことが見いだされました。テラヘルツ周波数の活用は、さまざまな分野での新技術・新科学として注目されていますが、この領域の超高速回転が、固体のなかの分子回転で実現できることを初めて明示した結果となります。研究グループでは、また、この超高速回転が分子の「慣性回転」の結果であることを明らかにしており、これまで「ブラウン運動(拡散運動)」に捕らわれていた分子の固体内回転運動が慣性回転となることで超高速化できることを明らかにしました。

本研究成果は、国際学術雑誌「ネイチャー・コミュニケーションズ(Nature Communications)」に2021年8月25日に掲載されました。

発表内容

炭素原子には種類があり、代表的なものとしてはsp2炭素やsp3炭素などが知られています。 sp2炭素はフラーレンやカーボンナノチューブをつくりあげる種類の炭素原子であり、ナノカーボン(注4)の基本構造として近年、開拓されてきました。sp3炭素の代表例としてはダイアモンドが知られていますが、ごく最近、「小さいダイアモンド」であるナノダイアモンドが、新しいナノカーボン材料として注目を集め始めています。当然のことですが、「『sp2炭素とsp3炭素』を組み合わせたナノカーボン物質はどのようなものになるか」という疑問を多くの研究者が抱き始めていました。この「sp2炭素とsp3炭素の組み合わせのハイブリッドナノカーボン」は材料科学分野や理論科学分野での検討が始まっていましたが、これまでに実験と理論で相反する結果が出てくるなど、謎多き物質となっていました。

今回、研究グループは、「sp2炭素とsp3炭素の組み合わせのハイブリッドナノカーボン」を、分子性物質(注5)として登場させることに世界で初めて成功しました(図1)。そして、組成・構造が明確な分子性物質とすることで、その基本的物性を探ることができ、その結果、「テラヘルツ領域での超高速分子回転」という異常な回転挙動が見つかりました。

図1 :ハイブリッドナノカーボンからできた分子ベアリングの結晶構造。赤色がsp2炭素で灰色がsp3炭素。筒状分子の内部に捕捉された最小ナノダイアモンド分子は固体のなかで超高速テラヘルツ回転している。

研究グループは、まず、「最小ダイアモンド分子」として知られるアダマンタンを筒状分子のなかに閉じ込め「分子ベアリング」を組み立てました(図2)。そして、その固体を核磁気共鳴スペクトル(NMR(注6))という手法で調べたところ、内部の最小ダイアモンド分子が超高速回転しており、高温で「慣性回転」により「テラヘルツ回転周波数」領域に至ることを見つけました。これは、分子機械の固体内回転として、回転周波数の史上最高値を記録したものとなります。

図2 :ハイブリッドナノカーボンの組み上げ方法。二つの物質を溶液中で混ぜるだけで分子ベアリングが組み上がる。

テラヘルツ周波数は、さまざまな分野での新技術・新科学として注目されていますが、この領域の超高速回転が、固体のなかの分子回転で実現できることが明示されたことで、さまざまなテラヘルツ分子材料の設計・合成への期待が高まります。

本研究は、科学研究費助成事業の一環として進められました。X線回折による分子構造決定には、大型放射光施設SPring-8 BL38B1及び高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所フォトンファクトリー(PF)BL17Aの最先端設備が活用されています。また、固体NMR装置の一部は、物質・材料研究機構微細構造解析プラットフォーム(文部科学省委託事業ナノテクノロジープラットフォーム)の最先端設備が活用されています。

研究者の氏名
所属

松野 太輔(まつの たいすけ)
東京大学大学院理学系研究科 助教

寺崎 成哉(てらさき せいや)
東京大学大学院理学系研究科 大学院生

古樫 加奈子(こがし かなこ)
東北大学大学院理学研究科 大学院生(研究当時)

勝野 亮祐(かつの りょうすけ)
東京大学大学院理学系研究科 大学院生

磯部 寛之(いそべ ひろゆき)
東京大学大学院理学系研究科 教授

発表雑誌

雑誌名
Nature Communications論文タイトル
A hybrid molecular peapod of sp2– and sp3-nanocarbons enabling ultrafast terahertz rotations
(和訳:sp2-/sp3-ナノカーボンからなるハイブリッド分子ピーポッドと超高速テラヘルツ回転)著者
Taisuke Matsuno*, Seiya Terasaki, Kanako Kogashi, Ryosuke Katsuno & Hiroyuki Isobe*DOI番号
10.1038/s41467-021-25358-0

URL
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25358-0
(オープンアクセス論文のため、どなたでも無料でお読みいただけます)

用語解説

注1 ベアリング
軸受。筒状の枠のなか、軸や回転子が容易に回転できる機械要素のこと。例えば、自転車や自動車の車輪などのなかに備わっている。

注2 sp2炭素
分子を形成する炭素原子の種類のうちのひとつ。三本の腕を持ち、正三角形型の構造をもつ。sp2炭素が六角形状に連なった結果、生じる物質が、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイト(黒鉛)である。「π電子」と呼ばれる動きやすい電子を持ち、導電性などの特性をもつ。

注3 sp3炭素
分子を形成する炭素原子の種類のうちのひとつ。四本の腕を持ち、正四面体型の構造をもつ。sp3炭素が規則的に連なった結果、生じる物質が、ダイアモンドである。

注4 ナノカーボン
炭素原子からなるナノメートルサイズの物質で、さまざまな特異な性質を示すことから、未来の材料として注目されている。球状のフラーレン、筒状のカーボンナノチューブ、平面状のグラフェンが代表例である。最近では、小さなダイアモンドであるナノダイアモンドも注目を集めている。

注5 分子性物質
同一の構造を持つ単種の分子からなる物質が分子性物質(Molecular Entity)と呼ばれる。一方、異なる構造を持つ分子の混合物は化学種(Chemical Species)と呼ばれる。

注6 核磁気共鳴スペクトル (NMR)
ラジオ波を使って原子核の状態を調べることで、物質の分子構造を解析する測定手法。測定対象を強い磁場の中において測定する。分子構造を調べるために最も汎用される手法であり、固体や液体の中で分子がどのように運動しているかを知ることもできる。

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