水による層状結晶のきわめて珍しい巨大膨潤現象を発見

ナノシート作製技術や生命現象における水の挙動解明に道を拓く可能性

2013.03.28

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人科学技術振興機構

NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の佐々木高義主任研究者、馬仁志MANA研究者、耿鳳霞博士研究員らの研究グループは、無機層状結晶があたかも生きた細胞のように水溶液中で100倍に及ぶ大きさにまで数秒で伸び縮みするという極めて珍しい現象を発見した。

概要

独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野正和) の佐々木高義主任研究者、馬仁志MANA研究者、耿鳳霞博士研究員らの研究グループは、無機層状結晶があたかも生きた細胞のように水溶液中で100倍に及ぶ大きさにまで数秒で伸び縮みするという極めて珍しい現象を発見した。
無機層状結晶は水溶液中で層と層の間に様々なイオンや分子を取り込み、膨潤する反応性を示すことが知られているが、その膨潤度 (層と層の間隔) は通常数割程度である。一部の限られた例として溶媒である水が大量に取り込まれて膨潤度が数倍にまで達することはあるが、その場合には層同士の間に働く力が弱くなり、溶液全体を振り混ぜる等の弱い外力を加えるだけで、結晶が薄片に分割されていく。そのため10倍を超える膨潤状態を安定に保持できることはほとんどなく、層状結晶の膨潤反応に関する学術的理解は極めて薄弱なレベルにとどまっている。
本研究では層状チタン酸化物などの無機板状結晶が、アミノ基とヒドロキシ基を両端に持つ有機化合物の希薄水溶液を作用させると、層の重なり方向に100倍の長さまで1〜2秒でアコーディオンのように伸びることを見いだした。驚くべきことにひものように伸びた結晶は分割されることなく、安定に存在し、酸を加えることにより、数秒で元の状態に戻ることが分かった。用いた層状結晶は厚さ1ナノメートル弱の層が3000枚前後積み重なった構造を有しているが、層と層の間隔を100倍にも膨らませる大量の水が瞬時に出入りし、かつその過程で層がバラバラにならず、一体として振る舞うことを意味している。この驚異的な現象は層と層の間に取り込まれる水が特殊な状態を有していることを暗示しており、実際理論計算により、希薄に存在する有機化合物が起点となって、水分子の強靭な水素結合ネットワークを誘起し、安定化することが示唆された。
本研究成果は現在ホットなトピックスとなっている2次元物質 (グラフェン、ナノシート) の合成プロセス (層状化合物の単層剥離) の理解の増進、制御性の向上につながり、高品位のナノシートを高収率で合成することに道を拓くことになると期待される。また生命現象などの重要なファクターとされながら、いまだ謎が多い狭い空間に閉じこめられた水の特異な挙動の理解に光を当てることになると期待される。
本研究成果は、独立行政法人科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業チーム型研究 (CREST) 「ナノ科学を基盤とした革新的製造技術の創成」研究領域 (研究統括 : 堀池靖浩) における研究課題「無機ナノシートを用いた次世代エレクトロニクス用ナノ材料/製造プロセスの開発」 (研究代表者 : 佐々木高義) 」の一環で得られたもので、英国科学雑誌「Nature Communications」オンライン版で日本時間平成25年3月28日1:00 (現地時間27日16:00) に公開される。

プレス資料中の図2 : 層状結晶の膨潤・収縮の様子 (偏光顕微鏡像)
最初の写真 (0 s) 中に出発結晶を矢印で例示。これにアミン溶液を作用すると、0.53 s後の写真中に矢印で示したような過渡的な状態を経て、16.4 s後の「ひも」状に伸びきった状態となる。これに酸水溶液を滴下すると、「ひも」状結晶は収縮し、3.8 s後には矢印で示したような元の結晶に戻る。