研究代表者・研究課題

HOME 研究代表者・研究課題 平成26年度採択 中村栄一

電顕科学で分子と実社会を繋げます | 中村栄一 | 東京大学 総長室総括プロジェクト機構 兼 大学院理学系研究科 特任教授 | 専門:物理有機化学

課題名|Research Theme

新しい電子顕微鏡科学を基軸としたゆらぎ
分子システムの分子技術

概要|Outline

本研究は、ナノおよびメゾスコピック領域での構造ゆらぎを持った分子と分子集合体の構造や動的挙動、そして化学反応の研究における高分解能電子顕微鏡の利用法を探求します。これにより、化学、製薬、電気・電子工業での基盤技術である結晶化と相分離の制御、触媒化学反応の合理設計、タンパクの構造決定などで格段の進歩が期待されます。

電子顕微鏡化学の概念図

特色|Feature

  • 日本のお家芸の電子顕微鏡技術から「電子顕微鏡化学」へ
  • 「分子をいくら設計しても、望み通りの機能が出ない」という悩みを解決し、社会的課題の解決に資する分子技術を構築
  • 有機合成化学と電子顕微鏡技術を有機的に結合して、ナノ・メゾスコピック領域でのゆらぎ分子システムの解析と制御に挑む
  • 「分子技術プロジェクト」内外での共同研究を積極的に展開し、電子顕微鏡で分子世界と実社会を繋ぐ分子技術を構築

研究代表者

中村 栄一
東京大学
総長室総括プロジェクト機構 兼
大学院理学系研究科 特任教授 研究室HP

主たる共同研究者

柳澤 春明
東京大学 大学院医学系研究科 助教
山添 誠司
首都大学東京 都市教養学部 教授
松田 広久
三菱ケミカル(株)横浜研究所
分析物性研究室 主任研究員
 
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2年度の成果|Results Y2015

図1.フラーレン二重膜ベシクルへの金ナノ粒子複合化の模式図と走査透過電子顕微鏡(STEM)像

図2.金ナノ粒子の協奏的集積化を示すSTEM像.ベシクル表面上でのドメイン形成がみられる.

これまでの研究成果(インパクト)

  • 高分解能電子顕微鏡によるナノ粒子の協奏的集合機構の解明

     疎水表面をもつ水溶性フラーレン二重膜ベシクルを土台として,界面活性修飾を施した金ナノ粒子の集積化プロセスを高分解能電子顕微鏡を用いて追跡した結果,表面置換基の最適化によりベシクル表面における金ナノ粒子の協同的自己集積化が実現できることを見出し,直径30ナノメートルの安定なハイブリッドベシクルを得ることに成功した(図1).
     単粒子レベル分解能での電顕観察により,金粒子の自己集積化挙動は粒子表面のオリゴエチレンオキシド鎖長が大きく影響することがわかり,粒子間の相互作用により協同的に粒子が集積化する特殊な機構を明らかにした(図2).

     作製したハイブリッドベシクルは粒子単独よりも高い触媒活性を示すことも明らかにし,これまで困難であった階層的組織化の合理設計と機能開拓に道をひらいた.

今後の進め方

  • 原子分解能透過電子顕微鏡により分子集合体や金属錯体の形成機構を分子レベルで解明する.
  • 量子力学の概念に基づく電子顕微鏡動画像の解釈を進める(専門家との共同研究).
  • 次年度より本格稼働する超高速原子分解能TEMの使用に習熟する.
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初年度の成果|Results Y2014

図1

図2

図3

これまでの研究成果(インパクト)

  • 電子顕微鏡観察における分子の動きのメカニズムを解明
    電子顕微鏡で撮影した個々の有機分子の動画を定量的に解析し、電子線を遅くするほど活発な分子の動きが観察できることを明らかにした。この知見に基づき、長さ4ナノメートルの分子の配座変換を動画として記録し、一つの分子の中で動きやすい部分、動きにくい部分を視覚的に判別することに成功した。(図1)
  • 有機固溶体からなる有機薄膜太陽電池の形態観察
    異なる二種類のポルフィリン誘導体を混ぜた有機薄膜太陽電池がそれぞれの材料単独から作成した太陽電池より優れた性能を示す事を見出し、これが有機固溶体の形成に由来することを走査電子顕微鏡による高分解能観察から明らかにした。(図2)
  • 自己集合型ナノカプセル上の単一タンパク質分子のイメージング
    水溶性フラーレンからなる二重膜ベシクルの表面への高密度にタンパク質修飾されたナノカプセルを開発し、導電性親水化基板上での低入射電圧走査電子顕微鏡観察によりカプセル上に集積化したレクチンタンパク質一つ一つの観察に成功した。(図3)

今後の進め方

  • 分子を釣る「化学釣り針」を開発し、観察したい対象分子を効率的に捕捉する方法を確立する。
  • 生体分子やナノ構造体を精度良く安定に結合できる走査電子顕微鏡用観察担体を開発する。
  • 電子線による試料の「ぶれ」を抑制・補正する方法を確立する。

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