コロイド分子の秩序形成メカニズムを解明

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2025-03-25 東京大学​

東京大学先端科学技術研究センターの田中肇シニアプログラムアドバイザーらの研究チームは、コロイド分子の秩序形成メカニズムを解明しました。共焦点顕微鏡によるリアルタイム三次元イメージングとシミュレーションを組み合わせ、エマルジョン内で形成されるコロイド分子の動的構造を解析した結果、コロイド分子は液体のような無秩序状態から連続的な秩序形成を経て特定の回転対称性を示すことが明らかになりました。さらに、溶媒のイオン強度を動的に調整することで、コロイド分子の秩序形成を誘導する新しい手法を開発し、その有効性を分子動力学シミュレーションで検証しました。この成果は、階層的に組織化された超構造の設計や材料科学への応用が期待されます。研究成果は2025年3月21日に科学誌『Nature Communications』で公開されました。

<関連情報>

ダイナミックで非対称なコロイド分子 Dynamic and asymmetric colloidal molecules

Huang Fang,Qiong Gao,Yujie Rong,Yanshuang Chen,Jiping Huang,Hua Tong,Zhihong Nie,Hajime Tanaka,Wei Li & Peng Tan
Nature Communication  Published:21 March 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-58057-1

コロイド分子の秩序形成メカニズムを解明

Abstract

“Colloidal molecules” represent artificial colloidal clusters replicating the geometries of molecules and exhibiting flexibility and fluctuations similar to macromolecules and proteins. Their dynamic and anisotropic characters make them unique and indispensable building blocks for creating hierarchically organized superstructures. Despite the progress in synthesizing and assembling colloidal molecules, unveiling their dynamic characters is challenging in experiments. Here, we employ real-time three-dimensional imaging and simulations to reveal dynamic colloidal molecule structures in micrometre-sized colloidal-emulsion models with tunable electrostatic interactions. Our findings reveal that colloidal molecules’ dynamic structures are inherently asymmetric, with angular symmetry emerging through continuous ordering from a liquid-like configuration. We further develop an effective method to guide the ordering of colloidal molecules towards a desired structure by dynamically adjusting the ionic strength in the solvent during the ordering process. We validate this method using molecular dynamics simulations and propose a practical protocol for its experimental implementation. Our research contributes to a clearer physical understanding of dynamic colloidal molecules and offers potential solutions to the complexities inherent in their formation process.

1700応用理学一般
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