平成２７年３月２日
東北大学 原子分子材料科学高等研究機構・大学院理学研究科
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
国立大学法人東北大学の磯部 寛之 教授（ＪＳＴ ＥＲＡＴＯ磯部縮退π集積プロジェクト 研究総括）と河野裕彦教授らの共同研究グループは、最先端理論計算を駆使することで、世界最小のカーボンナノチューブ注１）分子ベアリングの動きを精密に解明しました。具体的には、「歳差運動」と「自転運動」の二種の異なる回転様式が存在すること、低温では「歳差運動」が主体、高温ではそこに「自転運動」が加わることを解き明かしたものです。この新知見を分子設計に発展・活用することで、ナノサイズの分子運動が自在制御できるようになると期待させる成果となります。
磯部教授らのグループは、２０１３年に「カーボンナノチューブ分子ベアリング」の大量合成を実現していました。有限長カーボンナノチューブ分子注２）を外枠、フラーレンを回転子としたナノサイズのベアリングです。これまでの分光分析から、このカーボンナノチューブ分子ベアリング内では回転子が軸回転していることが明らかになっていました。回転子がナノサイズのコマのように回転していたのです。分光分析ではさらに、温度を変えることで回転運動になにかしらの変化が起こることまではわかっていましたが、これまでその詳細は未解明のままとなっていました。今回の理論研究により、この謎が解き明かされました。
今回の研究は、実験化学者と理論化学者の共同研究により、カーボンナノチューブ分子ベアリングの回転運動の詳細を明確にしたものです。研究グループは、はじめに密度汎関数法注３）の中で、カーボンナノチューブ分子ベアリングの理論分析に適した手法を探索しました。カーボンナノチューブ分子ベアリングは、湾曲したπ電子系が接触した独特な構造をもつため、どのような手法が適用できるのかでさえ知見がなかったためです。研究グループは十種を越える手法の中から、平尾 公彦 教授（現 理化学研究所 計算化学研究機構）らが開発した密度汎関数ＬＣ－ＢＬＹＰ法が最適であり、実験的な熱力学エネルギーを非常に精度良く再現することをつきとめました。
研究グループでは、この手法を活用し、遷移状態注４）計算ならびに分子動力学注５）法計算を行うことで、カーボンナノチューブ分子ベアリングの動きを再現しました。遷移状態の探索には、化学反応経路自動探索プログラムＧＲＲＭ注６）を用いたことが効果的でした。その結果、分子ベアリングの回転には「歳差運動」と「自転運動」という二種類の異なる動きがあること（図１、２）がわかりました。さらに、研究グループは、温度が低い（低エネルギー状態）ときには「歳差運動」が主に起こっており、温度を高く（高エネルギー状態）するにつれ、そこに「自転運動」が加わっていくことを見いだしました。この二種類の運動の存在と、その温度による変化が、これまでの分光分析の解析を困難にした原因だったのです。
実世界でのコマの動きでは、回し始め（高エネルギー状態）には、軸が直立した回転「自転運動」が主になりますが、回転が止まる頃（低エネルギー状態）には、首を振る「歳差運動」が主になります。今回の研究成果は、ナノサイズのコマでも、これと同じようなことが起こっていることを明らかにしたものです。ただし、今回の理論研究は、同時に、磯部教授らのナノサイズコマの回転には、摩擦（エネルギー障壁）がほとんどなく、一度エネルギーを与えると、なかなか回転が止まらないことを示しており、ナノサイズの世界でのみ起こる不思議な現象の一つをも明らかにしています。
今回の研究成果は、ナノサイズの分子機械の分子設計に新しい方向性を示すものであり、これからの化学合成とそれを活用した新しい機能性ナノ分子機械の登場をますます期待させる成果となります。
この研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業ＥＲＡＴＯ「磯部縮退π集積プロジェクト」の一環として、また科学研究費助成事業、ＨＰＣＩ戦略プログラム（ＳＰＩＲＥ）、計算物質科学イニシアティブなどを使って行ったものであり、英国王立化学会の新しい旗艦誌「ケミカル・サイエンス」誌に近日中に正式掲載されます。なお、本研究はその重要性・新規性が審査員や編集者により認められており、近日、重要論文（Ｈｏｔ ａｒｔｉｃｌｅ）として同誌ブログ内で紹介される予定です。
研究者の氏名・所属：
| 磯部 寛之（いそべ ひろゆき） | ＪＳＴ ＥＲＡＴＯ磯部縮退π集積プロジェクト 研究総括 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 主任研究者 東北大学 大学院理学研究科 教授 |
|---|---|
| 中村 公亮（なかむら こうすけ） | 東北大学 大学院理学研究科 博士後期課程学生 |
| 一杉 俊平（ひとすぎ しゅんぺい） | 東北大学 大学院理学研究科 助教 |
| 佐藤 宗太（さとう そうた） | ＪＳＴ ＥＲＡＴＯ磯部縮退π集積プロジェクト グループリーダ 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 准教授 |
| 時子山 宏明（とこやま ひろあき） | 和歌山大学 システム工学研究科 研究員 |
| 山門 秀雄（やまかど ひでお） | 和歌山大学 システム工学研究科 准教授 |
| 大野 公一（おおの こういち） | 量子化学探索研究所 所長・理事長 東北大学 名誉教授 |
| 河野 裕彦（こうの ひろひこ） | 東北大学 大学院理学研究科 教授 |
ベアリング（赤）内部で回転子（灰）が軸（青）を中心に、あたかもコマのように軸回転している。上図が分光分析でわかっていた大まかな回転運動。下図が今回の理論研究から解明された回転運動の詳細。「歳差運動（左）」と「自転運動（右）」の二種が存在していることが明らかとなった。
外側のベアリング（赤）の中で、回転子が回転する。低温（低エネルギー状態）では、歳差運動のみだが、高温（高エネルギー状態）では、歳差運動に自転運動が加わる。
＊添付図版は動画としてもご覧頂けますので以下のURLをご参照下さい。
歳差運動：http://www.orgchem2.chem.tohoku.ac.jp/PrecMovie.gif
自転運動：http://www.orgchem2.chem.tohoku.ac.jp/SpinMovie.gif
英国王立化学会旗艦誌ケミカル・サイエンス（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ２０１５年２月１８日 公開
＊Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ誌の「重要論文（Ｈｏｔ Ａｒｔｉｃｌｅ）」として紹介される予定。
＊＊Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ誌の論文はＯｐｅｎ Ａｃｃｅｓｓとなっており，どなたでも本文をご覧いただけます。
論文名：“Theoretical studies on a carbonaceous molecular bearing: association thermodynamics and dual-mode rolling dynamics”
（和文：炭素性分子ベアリングの理論研究：会合熱力学と二つの回転運動）
doi: 10.1039/c5sc00335k
磯部 寛之（イソベ ヒロユキ）
国立大学法人 東北大学大学院理学研究科 化学専攻 教授
Tel：022-795-6585 Fax: 022-795-6589
E-mail：
研究室ホームページ：http://www.orgchem2.chem.tohoku.ac.jp/
河野 裕彦（コウノ ヒロヒコ）
国立大学法人 東北大学大学院理学研究科 化学専攻 教授
Tel/Fax： 022-795-7720
E-mail：
大山 健志（オオヤマ タケシ）
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
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国立大学法人 東北大学原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）
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