生物に倣うスクラップ&ビルドの超分子建築 ―進行波による人工ソフト材料の空間制御―

2025-08-25 京都大学

京都大学などの研究グループは、生物の形態形成に倣い、分子の「スクラップ&ビルド(分解と再構築)」を利用して、マクロスケールの複雑な空間構造を自律的に形成する超分子建築法を開発した。従来の分子自己組織化では、熱力学的に安定な均一・静的構造を形成することが中心だった。今回、ペプチドファイバーからなるヒドロゲルへ界面活性剤を拡散させ、濃度勾配によって非平衡な分解・再構築サイクルを誘発。そのサイクルが「進行波」としてゲル内を伝播することで、性質の異なる複数のファイバーを年輪状に配置し、ミリ~センチメートル規模の空間パターンを自律的に形成した。生物のような動的な自己組織化を人工材料で実現したもので、複雑な機能を持つ次世代ソフトマテリアルの設計原理につながる成果である。

生物に倣うスクラップ&ビルドの超分子建築 ―進行波による人工ソフト材料の空間制御―
ファイバー構造の破壊と再構築からなる「スクラップ&ビルド」によるマクロスケールでの構造体形成 作成者:窪田亮(ハンマーとドライバーの絵はGoogle Gemini 3.5 Flash)。 背景の葛飾北斎の浮世絵:public domain, https://www.metmuseum.org/art/collection/search/39799から引用

<関連情報>

「壊して作る」非平衡自己組織化によって駆動される超分子形態転移 Supramolecular morphological transition driven by nonequilibrium break-and-build self-organisation

Ryou Kubota,Yuriki Ikuta,Shogo Torigoe,Naoki Kanazawa & Itaru Hamachi
Mature Communications  Published:24 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-76336-3

Abstract

Controlling the nonequilibrium dynamics in synthetic systems is an important challenge in supramolecular chemistry. Biological morphogenesis exploits nonequilibrium reaction–diffusion processes to organise differentiated cell networks and functions in space. In contrast, artificial assemblies are mostly formed under thermodynamic control, and they thus lack autonomous spatial complexity. Here, we present a supramolecular morphological transition that enables spatial control over the differentiation and decomposition of synthetic self-assembled fibres. Upon hybridisation with a surfactant, self-assembled fibres made from low-molecular-weight peptides undergo nonequilibrium break-and-build dynamics through cycles of fibre decomposition and reformation. Coupling these dynamics with surfactant diffusion generates repeated propagating waves that produce macroscopic nonlinear concentric patterns of chemically distinct fibres. These resultant patterns can be modulated by applying transient thermal pulses or by introducing multiple surfactants. This approach provides a strategy for the hierarchical organisation of supramolecular assemblies, opening up opportunities for constructing complex, functional soft materials with controlled spatial architectures.

0500化学一般
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