ナノサイズの穴を通過する分子の形を観察

＜研究の内容＞

　東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻およびＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究 中村活性炭素クラスタープロジェクト 研究総括である中村 栄一 教授ならびに同プロジェクトナノ 構造解析グループのグループリーダーである越野 雅至 博士と、東京大学の磯部 寛之 元 准教授（現 東北大学 教授）らの研究グループは、ナノメートル（１０億分の１メートル）サイズの細孔を通過する分子１個の形の変化および空間を移動する様子を透過型電子顕微鏡（TEM）により直接観察することに世界で初めて成功した。
　薄膜や生体膜にある穴を分子が通過する過程は、様々な物理、化学、生物学現象を理解する上で極めて基本的な現象である。たとえば、多孔質の固体への分子の吸蔵（たとえば水素やメタンの吸蔵）、膜による物質分離（たとえばメタンハイドレートからメタンの分離）、また細胞膜を通しての分子の移動といった細胞の基本的な振る舞いの中には、必ず「分子が穴を透過する」という過程が含まれている。しかしながら、これまでに知られていた研究手法は、多数（たとえば１０の２３乗個）の分子の挙動統計的平均を研究する手法のみであり、一分子一分子と穴の相互作用を実験的に研究する手法はこれまで存在していなかった。すなわち、分子がどのような形で穴を透過するのか、分子と穴の化学的相互作用などのようなものなのか、などを研究する手法は全く知られていなかった。
　昨年、当グループは、カーボンナノチューブの中にホウ素原子で標識を付けた有機分子を閉じこめてTEMで観察すると、一分子一分子の構造や、チューブの中を前後に動く様子を動画として捉えられることを報告した（Science , 2007）。今回、フラーレンでラベルした炭化水素の長い鎖が、ナノチューブの壁に開いたナノメートルサイズの小さな穴をまるで生きているがごとくにして通過する様子を捉えることに成功した。
　細長い炭化水素分子の鎖に注目し、鎖状部分が自由に動き回れるよう、分子のサイズよりも少し大きいサッカーボール型分子（C₆₀フラーレン）を目印として結合させ（図１）、ナノチューブ内に閉じ込めた。すると、ナノチューブの空間内で分子が色々な形に折れ曲がっている様子や、紐状の分子が動く様子が撮影された（図２、ムービー１）。
　さらに詳しく分子１個１個を観察していると、紐状の分子がナノチューブの壁に開いた穴を通過する現象を捉えることに成功した（図３ａ、ムービー２）。約１．４ナノメートルの直径のカーボンナノチューブに入れた炭化水素側鎖を持つC₆₀分子が、赤い矢印で示したカーボンナノチューブ上の壁の穴を真っ直ぐに変形して通過してゆく様子が室温で観察された。分子が環境に応じて構造を変えながら、孔の中を移動して行く瞬間の映像が初めて捉えられた。
　以上の映像は室温下においた顕微鏡によって得られたものである。ここで見られた分子の動きのエネルギー源は何なのだろうか。外部の熱だろうか、電子線のエネルギーだろうか。この疑問に答えるために、当ＥＲＡＴＯプロジェクトで開発された零下２６９度での分子の観察ができる最新鋭電子顕微鏡による実験を行った。その結果、零下２６９度でも同様の動きを観測することができた。図３ｂは飽和炭化水素側鎖を持ったC₆₀分子の画像で、３個並んだうちの一番右側の分子の棒状の炭素鎖がチューブから突き出す様子が捉えられている（ムービー３）。分子運動の速さは、室温でも極低温でも余り変らないことが分かった。
　また紐状の炭化水素鎖は、カーボンナノチューブの内側にある場合でも外側に付いた場合でも、その動く速さは余り変らないばかりか、（電子線の作用によって）切れたり飛んでいったりすることはなかった（図３ｃ～ｅ、ムービー４）。
　これまで、室温下に置いた分子は熱エネルギーで高速に動く（１０の１２乗分の１秒以下の時間スケール）ためその観察は非常に困難だと考えられていたが、昨年発表した結果および今回の結果から、室温に置いた顕微鏡で観察した分子の運動は予期したよりはるかに遅いことが分かった（秒単位の動き）。なぜであろうか？　今回の研究では重要な発見があった。（１）室温に置いた顕微鏡でも、極低温下でも分子運動の速度が余り変らないことから、分子運動のエネルギー源は観察に使う電子ビームのエネルギーであることが明らかである。（２）カーボンナノチューブの内側、外側に関わらず、観察された分子の動く速度や寿命に大きな差がないことが分かった。
　この後者の結論は、我々が報告した最近の成果、すなわちカーボンナノチューブの外部に結合したペプチド結合を持つ生体分子が安定に観察されるという事実（中村ら、Journal of American Chemical Society, 2008, 130, 7808；図５）とも一致する。この論文及び今回の論文に報告した、チューブの外側に置いた分子の構造変化が研究できるという事実は、チューブ内に閉じこめるという先に報告した手法の根本的問題、すなわち観察対象の分子のサイズと種類が限られてしまう、という問題点を解決するものである。すなわち、ナノチューブの外側に付けた様々な分子、たとえば蛋白質やDNAなどの分子構造の動きを、一分子ごとに自在に観察できる日が遠くないと感じさせるものである。
　今後、ナノチューブの内側や外側の空間を利用した「有機分子の動的構造解析」が、化学反応、生体分子の相互作用などに関する学術研究における新しい手段として発展するものと期待される。また日本の産業を支えるナノテクノロジー分野や新薬開発といった医療分野での応用も期待されるところである。
　なお、この研究成果の一部は、産業技術総合研究所の電子顕微鏡設備を借用して得られた。

※ムービーは、下記のアドレスからダウンロードできます。
ムービー１：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20080915/mov/Movie1.mov (mov形式 2,509KB)
ムービー２：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20080915/mov/Movie2.mov (mov形式 1,237KB)
ムービー３：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20080915/mov/Movie3.mov (mov形式 5,861KB)
ムービー４：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20080915/mov/Movie4.mov (mov形式 3,410KB)
ムービー５：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20080915/mov/Movie5.mov (mov形式 3,248KB)

＜参考図＞

図１　２種類の直鎖状炭化水素分子をサッカーボール型C₆₀分子に結合させて、カーボンナノチューブに閉じ込めた

　左はアルケニルC₆₀分子（二重結合を持つ炭化水素鎖）、右はアルキルC₆₀分子（単結合の炭化水素鎖）。

図２　カーボンナノチューブに入った分子の電子顕微鏡観察像（ａ，ｄ）、シミュレーション図（ｂ，ｅ）、モデル図（ｃ，ｆ）

　バーの長さは１ナノメートル。２．１秒ごとに映像を記録して、連続した３枚を重ねて表示したもの。左上は観察後２．１～６．３秒、左下は観察後８．４～１２．６秒で、ひものように伸びたアルケニル分子はゆっくりとチューブの中で約７０度回転している。室温（２０度）の電子顕微鏡で観察（ムービー１）。

図３　約１．４ナノメートルの直径のカーボンナノチューブに入れたアルケニルC₆₀分子（ａ）、アルキルC₆₀分子（ｂ‐ｅ）

　バーの長さは１ナノメートル。ａとｃ～ｅは室温（２０度）の観察で２．１秒ごとに映像を記録して、そのうちの１枚を表示したもの。ａの上図はアルケニルC₆₀分子が２５．４秒間に渡って変化する顕微鏡画像で、下図がそのモデル（ムービー２）。赤い矢印がカーボンナノチューブ上の壁に開いた穴を示す。
　ｂは零下２６９度で観察したアルキルC₆₀分子で、１秒ごとに映像を記録して、そのうちの連続した５枚を重ねて表示したもの。左図は２３．０～２７．０秒で５枚の写真を重ね合わせた像でカーボンナノチューブの中にアルキルC₆₀分子が３つ並んでいる。真ん中の５８．０～６２．０秒の写真では一番右側の分子の炭素鎖がチューブから突き出している（ムービー３）。この結果から、周りの温度の影響が小さい極低温でも、観察に使う電子ビームによって分子がゆっくりと動くことが証明された。逆に、室温での分子のゆっくりとした動きから、外部の熱による影響は小さいものと推測される。
　ｃとｄは室温で観察された炭素鎖が外に出ているアルキルC₆₀分子で、真空状態においてもその動きがゆっくりとしていることが分かる。またこの炭化水素鎖は、観察の間に短くなったりすることはなく、カーボンナノチューブの内部でも外部でも電子線によって切れたり飛んでいったりしないことが示された（ムービー４）。
　ｅはアルキルC₆₀分子が完全にチューブの外に出た画像（ムービー５）。これまで、室温にある分子はその熱エネルギーにより非常に高速に動くため、その動きの観察は困難だと考えられていたが、単分子を孤立して観察するこの電子顕微鏡手法は、室温から極低温までの分子の動きを直接観察するのに有効な手段であることが示された。

図４　ＥＲＡＴＯ 中村活性炭素クラスタープロジェクトで開発された最新鋭電子顕微鏡

　日本電子社製、産業技術総合研究所に設置。「分子を見る」ために特化した世界初の顕微鏡。より精度良く観察するために、観察対象を零下２６９度（液体ヘリウム温度）まで冷却できること、顕微鏡のレンズのボケをコンピュータで補正できることなどさまざまな工夫がなされている。今後、この電子顕微鏡を用いて、分子の新しい世界が見えてくるものと期待される。

図５　ビオチン分子を持ったアミド側鎖を化学結合させたカーボンナノチューブ（カーボンナノホーン）の構造変化

　ａ：数字は観察開始からの秒数。情報の黒い棒は１ナノメートルを表す。
　ｂ：１０５．０秒の映像に対応する分子の分子模型。
　ｃ：その分子模型からつくりだした電子顕微鏡シミュレーション像。
（Imaging of Conformational Change of Biotinylated Triamide Molecules Covalently Bonded to Carbon Nanotube Surface, E. Nakamura, M. Koshino, Y. Niimi, K. Harano, Y. Nakamura and H. Isobe, J. Am. Chem. Soc., 130, 7808-7809, 2008, より）

＜用語解説＞

注１）カーボンナノチューブ
　飯島 澄男 教授（現 名城大学）が１９９１年に発見した、ダイヤモンド、非晶質、グラファイト、フラーレンに次ぐ５番目の炭素材料。グラファイトシートが直径数ナノ（１０億分の１）メートルに丸まった極細チューブ状構造を有している。カーボンナノチューブはその丸まり方、太さ、端の状態などによって、電気的、機械的、化学的特性などに多様性を示し、次世代産業に不可欠なナノテクノロジー材料として、現在、世界中で最も注目されている材料である。

注２）電子顕微鏡
　観察対象に電子をあてて拡大像を得る顕微鏡。１９３１年にベルリン工科大学のマックス・クノールとエルンスト・ルスカ（１９８６年ノーベル物理学賞）により初めて開発された。観察対象を透過してきた電子を利用して観察する透過型電子顕微鏡（TEM）や、反射した電子を利用する走査型電子顕微鏡（SEM）などがある。昨年から相次いで有機小分子の動きを直接観察する研究成果が発表されている。

＜論文名および著者名＞

"Imaging the passage of a single hydrocarbon chain through a nanopore"
（単一の炭化水素鎖がナノメートルの穴を通過するところのイメージング）
Masanori Koshino, Niclas Solin, Takatsugu Tanaka, Hiroyuki Isobe, Eiichi Nakamura
doi: 10.1038/nnano.2008.263

＜お問い合わせ先＞

中村 栄一（ナカムラ エイイチ）
東京大学 大学院理学系研究科　化学専攻　教授
Tel/Fax：03-5800-6889
E-mail:

兼子 隆雄（カネコ タカオ）
科学技術振興機構　戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究
ＥＲＡＴＯ 中村活性炭素クラスタープロジェクト　技術参事
Tel：03-3815-1551　Fax：03-3815-1552,
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