「複雑さ」を設計して、結晶の「動き」をプログラムする “構造のゆらぎ”が導く 結晶学の常識を覆す新しい設計原理を解明

2026-08-27 高知工科大学

筑波大学、東京科学大学、静岡大学などの研究グループは、結晶構造をあえて複雑にすることで、熱による結晶の動きを制御する新しい材料設計原理を示した。剛直なアントラセン骨格に可動部分を組み込んだ分子「BBPA」では、通常は避けられるhigh-Z′結晶を意図的に形成し、1つの結晶内に5種類の異なる分子環境(Z′=5)を共存させた。低温では分子が異なる状態で固定されているが、加熱すると構造がゆらぎ、分子が協調して並び替わる「対称性回復」が起こり、その過程で結晶が特定方向へ大きく伸長することを発見した。さらに、加熱・冷却を50回繰り返しても可逆的かつ安定して動作することを確認した。従来の「単純で規則正しい結晶ほど望ましい」という材料設計の考え方を転換し、「構造的な複雑さ」を分子運動や巨視的機能を生み出す設計要素として利用する新たな動的材料の開発につながる成果である。

「複雑さ」を設計して、結晶の「動き」をプログラムする “構造のゆらぎ”が導く 結晶学の常識を覆す新しい設計原理を解明
▲「動く部分」と「動きにくい(剛直な)骨格」を組み合わせた新分子(BBPA)の設計

<関連情報>

単純さから複雑さへ:熱的に堅牢でありながらプログラム可能な異方性膨張のための設計原理としての置換基制御Z ‘多重度 From Simplicity to Complexity: Substituent-Controlled Z′ Multiplicity as a Design Principle for Thermally Robust Yet Programmable Anisotropic Expansion

Yuto Hino, Takumi Matsuo, Tomohiro Yamashita, Hiroko Yokota, Daiki Korenaga, Tomohiro Seki, Shotaro Hayashi
Small  Published: 18 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/smll.75273

ABSTRACT

Anisotropic thermal expansion in molecular crystals has predominantly been reported for low-Z′ systems (Z′ ≤ 2), in which only a few independent molecules occupy the asymmetric unit. In such crystals, thermal expansion is often interpreted using simplified models based on rigid molecular motion or averaged intermolecular interactions. However, these descriptions fail to capture the complex anisotropy, switchable responses, and multistep phase transitions frequently observed in molecular solids. Here, we report high-Z′ molecular crystals that exhibit both thermal robustness and stepwise, rapid anisotropic thermal expansion upon temperature variation. These crystals were designed by combining substituent-induced molecular asymmetry, competitive intermolecular interactions, and flexible intramolecular degrees of freedom. Crystals of 2,6-bis(4-tert-butylphenyl)anthracene display an unusually high Z′ value of 5 over a wide temperature range (100–400 K), enabled by the noncovalent immobilization of coplanar tert-butyl groups within a herringbone packing framework. Upon heating, progressive molecular motions induce dynamic averaging of crystallographically distinct local environments, culminating in a cooperative phase transition accompanied by symmetry recovery and reduction of Z‘ from 5 to 2.5 at 423 K. The resulting structural reorganization gives rise to rapid macroscopic anisotropic thermal expansion. These results establish high-Z′ crystal engineering as a viable strategy for programmable and reversible thermal-mechanical responses.

0502有機化学製品
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