ナノ細孔の「揺らぎ」がわずかに質量の違う分子を分ける -動的ナノ細孔における質量選択輸送の新しい原理を解明-

2026-07-28 分子科学研究所

自然科学研究機構 分子科学研究所、総合研究大学院大学、京都大学 iCeMSの共同研究グループは、柔軟な多孔性結晶(Soft Porous Crystal:SPC)のナノ細孔が時間的に「揺らぐ」ことで、わずかな質量差しかない分子の輸送速度を大きく変化させる仕組みを理論的に解明した。研究成果はNature Communicationsに掲載された。研究では、ナノ細孔内の分子輸送を「時間的に変動するエネルギー障壁上での拡散」として解析し、「共鳴活性化」の概念を周期的なナノ細孔中の長距離拡散へ拡張する新たな理論を構築した。その結果、細孔の揺らぎの速度と分子が障壁を越える時間が一致すると輸送が最大化され、軽い分子ほど一時的に開いた細孔を効率よく通過できるため、軽水と重水のような極めて性質の近い分子でも大きな輸送速度差が生じることを示した。この理論は2022年に報告されたSPCによる水同位体分離の実験結果も再現し、細孔の揺らぎを「制御すべきノイズ」ではなく、精密分離を実現する新たな設計要素として位置付けた。今後は配位子設計や電場制御により、同位体分離や高効率分子分離技術への応用が期待される。

ナノ細孔の「揺らぎ」がわずかに質量の違う分子を分ける -動的ナノ細孔における質量選択輸送の新しい原理を解明-
揺らぐナノ細孔における揺らぎ駆動型質量選択輸送の概略図

<関連情報>

動的ナノ細孔における揺らぎ駆動型質量選択輸送 Fluctuation-driven mass-selective transport in dynamic nanopores

Zhiye Tang,Ken-ichi Otake,Hirotoshi Sakamoto,Susumu Kitagawa & Shinji Saito
Nature Communications  Published:15 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75540-5  Unedited version

Abstract

Precise molecular separation is essential in nanotechnology. However, static designs based on pore size and host-guest interactions often fail for species with nearly identical properties. To overcome this, we elucidate how nanopore dynamics govern transport and separation by establishing a general, predictive framework. We demonstrate that diffusion in a fluctuating periodic potential is maximized at an optimal fluctuation rate. Critically, this rate depends on molecular mass, translating subtle mass differences into significant kinetic disparities. By integrating this framework with quantum-chemical energy landscapes for archetypal soft porous crystals, we identify two factors governing selectivity: the magnitude of energy-barrier fluctuations and the alignment between nanopore dynamics and the energy-fluctuation rate that maximizes selectivity. These results establish nanopore dynamics as a key design dimension for controlling separation by tuning structural dynamics via ligand substitution or external fields, providing a theoretical foundation for the rational design of separation materials.

0505化学装置及び設備
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