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新着情報

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粘土遊びがヒントに 有機分子で自在にナノ構造体を作る

戦略的創造研究推進事業さきがけ

JSTnews 2018年7月号掲載

自在に形を作れる材料は物づくりに欠かせません。目に見えない分子の世界でも重要で、さまざまな合成反応の開発によって、ベンゼンのように大きさが1ナノメートル程度の小さな分子であれば精密に構造を作れるようになってきました。一方、数十〜数百ナノメートルの巨大分子には高度な機能をいくつも持たせることができるため、世界中で活発な研究が行われています。しかし、小さな分子から巨大分子を作ることは困難でした。

北海道大学大学院工学研究院の猪熊泰英准教授らは、子どもの粘土遊びを見て、古代から壺や水瓶を作る方法の1つである「巻き上げ技法」に注目しました。そして、柔軟なひも状分子にカルボニル基を多く入れることで「互いにペタペタくっつく」という粘土のような性質を持つ「カルボニルひも」を合成しました。

カルボニルひもは、水素結合などがひものいろいろな部分で起こり、固体状態で直線、S字、コの字など、従来の手法では形の維持が難しかったひも由来の曲線部を持つ構造を簡単に作ることができる画期的な構造体です。

今後、これまで以上に精密で柔軟な巨大分子が作れるようになり、発光体や電子素子など機能性ナノ材料への応用が期待されます。

粘土を細長くひも状に伸ばし、グルグルと巻き上げながらつないで器を作っている(巻き上げ技法)(左)。
同じ巻き上げ技法をカルボニルひも分子で行うと、分子変換のための触媒やガス分子を取り込むための容器を作ることができる。模様はアセチルアセトン誘導体(右)。

合成に成功した最長のカルボニルひもとベンゼンの比較(上)。
柔軟なカルボニルひもは、例えば棒状の分子に巻き付くことで螺旋状に形を変えられる(下)。


繊維状ウイルスM13ファージの模式図(a)と規則的に集合化したM13ファージの上面図と側面図の模式図(b)

簡便な方法でウイルスでできた熱伝導フィルムの開発に成功

戦略的創造研究推進事業さきがけ

JSTnews 2018年6月号掲載

電気製品や電子機器の小型化を受けて、優れた熱伝導材料の開発が求められています。電気を絶縁し、柔らかく簡単に加工できる優れた材料として、有機系高分子材料が有用であると考えられています。しかし、金属やセラミックスと比較すると熱伝導率が2〜3桁低い点が問題となっており、有機系高分子材料の熱輸送効率を向上させる簡便な手法の開発が求められていました。

東京工業大学の澤田敏樹助教らは、M13ファージという無毒でひも状の構造を持つウイルス(繊維状ウイルス)を集めて作ったフィルムが、熱伝導材として機能することを発見しました。分子が溶解した水溶液を乾燥する際、端の部分に効率良く集積する「コーヒーリング効果」を応用したところ、この「ウイルスフィルム」は、端部において無機材料のガラスに匹敵する高い熱拡散率を示し、階層的に集まる生体由来素材が、熱伝導材として有用であることを見いだしました。

今後、有機系高分子材料に簡単な手法で高い熱伝導性を持たせたり、新しい熱輸送の機構を解明したりするだけでなく、ウイルス以外のさまざまな天然由来素材のデバイス材料としての開発にもつながると期待されます。

@すべての精子を吸い込むA運動性に乏しい精子は、押し戻されるB高い運動性の精子は、流れをさかのぼりながら泳いでいく
運動性精子選別器具の概略図(上)と三日月状構造部内での流れの様子(下)

直進よりも蛇行が良い 泳ぎ方で繁殖に有利なウシの精子を選別

研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム(A-STEP)

JSTnews 2018年6月号掲載

日本では、家畜用の牛の繁殖の主流は人工授精ですが、受胎率が低下傾向にあり、繁殖性の改善のためにさまざまな試験研究が行われています。人間の不妊治療では運動性を失った精子を取り除くなど、活発な精子を集めるといった前処理がされていますが、家畜の繁殖では凍結した精液がそのまま用いられています。また、従来の活発な精子を集める技術では集められる精子の数が少なく、体外受精はできても処理後そのまま人工授精に用いることはできません。

産業技術総合研究所の山下健一研究グループ長らは、精子が流れをさかのぼるように運動することに注目し、より健全な精子を多く集められる選別器具を開発しました。また、直線に泳ぐよりも、蛇行しながら泳ぐ精子の方が、受胎率が高いことも見いだしました。

開発した選別器具は3つの筒状の液だめ構造を持ち、液面の高低差で精液を送り出します。さらに中央にある液だめの底面に三日月型の構造を設置し、運動性の高い精子だけを誘導する流れになるよう設計しました。この選別器具で集めた精子の質を調べたところ、DNAに損傷を持つ精子の割合が処理前ではおよそ7パーセントだったのに対し、処理後は約0.4パーセントへと大幅に改善されました。

今後、健全性の高い家畜繁殖用精液の大量生産や、精子の生化学分析の前処理技術としての活用を目指します。

拡大図
大面積のナノチューブ配列薄膜

単層カーボンナノチューブ薄膜の特異な光吸収特性を発見

戦略的創造研究推進事業CREST

JSTnews 2018年6月号掲載

産業から出る排熱の約70パーセントは200度以下です。有効利用の方法がなく大量に環境中に放出されています。今後IoT社会を実現するためにも、環境から効率良く熱エネルギーを取り出せる、柔軟で、伸縮性を備えた高性能な熱電変換素子の開発が求められています。半導体型単層カーボンナノチューブ自体は優れた熱電変換特性を持つことが知られていますが、電気特性の制御された大面積のフレキシブルな薄膜として利用することは困難とされていました。

首都大学東京の柳和宏教授らは、米ライス大学の河野淳一郎教授らと作製した単層ナノチューブが一方向に配向した直径2インチに及ぶ大面積薄膜を用いて高密度に電子を注入する実験を行いました。偏光を用いて薄膜の光吸収特性を観測したところ、ゲート電圧を加えることによって高密度の電子が注入され、ナノチューブに平行な偏光では光が吸収されず、垂直な偏光では強い吸収が起きるといった新たな現象がわかり、ナノチューブが配向していることと、電気的に制御できることを検証しました。

配列したナノチューブ薄膜の性質は未知な点が多くあり、今後、配向カーボンナノチューブ薄膜の熱電特性を解き明かし、高性能なフレキシブル熱電変換素子の実現を目指します。

(a)新技術(3.8nmまで)/膜厚を厚くすることで形状磁気異方性による垂直磁化容易軸を実現(b)従来技術(20nmまで)/膜厚を薄くすることで界面磁気異方性による垂直磁化容易軸を実現
提案した形状磁気異方性を利用した磁気トンネル接合(a)と、従来型の界面磁気異方性を利用した磁気トンネル接合(b)の模式図。

世界最小直径3.8ナノメートルサイズの磁気トンネル接合素子の開発に成功

産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム(OPERA)
革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)

JSTnews 2018年5月号掲載

磁石の向きを電気的に制御して情報を記憶し、電気信号に変えて情報を読み出す不揮発性磁気メモリー(STT-MRAM)は世界中で研究開発が行われ、年内には本格的に量産が開始される見通しとなっています。

このメモリーには、2つの磁石層で絶縁体を挟んだ「磁気トンネル接合素子」が用いられますが、2010年東北大学のグループは、磁石の向きが絶縁体との界面に垂直に向こうとする性質を利用したSTT-MRAMの実用化のためのコア技術を開発しました。今後、STT-MRAMを大容量化、高性能化するためには、磁気トンネル接合素子を持続的に微細化していく必要があります。しかし、微細化すると情報の忘れにくさと磁石の向きの反転のしやすさを両立することが難しくなります。研究グループは、磁気トンネル接合素子を縦に長い形状にすることで磁石が長手方向に向こうとする性質を用いて、2つの要件の両立が可能であることを発見し、直径3.8ナノメートルの世界最小サイズの素子の作製に成功しました。

この技術によって、将来、現行の約100倍の100ギガビットクラスのワーキングメモリーが開発されれば、人工知能(AI)システムや自動運行システムの中核となる超低消費電力インテリジェントAIチップが実現されると期待されます。

(上)折れ線グラフ(下)実物写真
耐傷性の改良(上)と蒔絵調印刷を施した漆ブラック調バイオプラスチック(下)

漆ブラック調バイオプラスチックの実用化に向けて優れた耐傷性と蒔絵調印刷を実現

戦略的創造研究推進事業ALCA

JSTnews 2018年5月号掲載

NECはこれまで、炭素循環型社会を実現するバイオプラスチックの普及拡大に向けて、非食用植物由来のセルロースを原料とする高度な環境調和性に加え、新たな付加価値として高級漆器が持つ独特の美しい漆黒(漆ブラック)を塗装無しで実現する「漆ブラック調バイオプラスチック」を、漆芸家の下出祐太郎氏(京都産業大学教授)と共同で開発してきました。

今回、漆ブラックの光学特性を保持しながら、布や紙で擦っても傷が入りにくい独自の添加成分の配合技術を開発しました。ガーゼ摩擦試験では100回程度擦っても光沢が保持され、一般的なプラスチックの中で最高レベルの耐摩耗性を実現しました。

さらに、下出氏が描いた最高級の蒔絵をモデルとして、特殊印刷に強いメーカーなどの協力を得て、インク組成や印刷条件を最適化しました。これにより、射出成形されたさまざまな形状の漆ブラック調バイオプラスチックに、精緻かつ立体感のある高品質な蒔絵調印刷が可能となり、量産品の大幅な付加価値向上を実現できます。

今後、実用化に向けて改良を進めると共に、樹脂材料メーカーと連携体制を構築して、装飾性と環境調和性を重視する耐久製品や高級日用品などでの利用を目指します。

(上)脳の右半球の画像(下)分布図
(上)大人の気持ちを推測する能力に関する課題を行った時、抑うつ気分が高まるほど脳活動が低下した部分(赤色)。(下)その課題時の脳活動値(縦軸)と抑うつ気分尺度(横軸)の変数間で示した逆相関。

気分の落ち込みを脳画像で「見える化」 子育て困難の予防に期待

社会技術研究開発センター(RISTEX)

JSTnews 2018年4月号掲載

少子化や核家族化などを背景に、養育者の身近に悩みを相談できる相手がいないなど子育ての孤立化が問題視されています。その中で、養育者のメンタルヘルスの重要性が指摘されています。

福井大学子どものこころの発達研究センターの友田明美教授、島田浩二特命助教らは、養育者の気分の落ち込みが深刻化する兆候を、脳の機能画像から発見する方法を見いだしました。脳の活動を見える化することで、目に見えない子育てのストレスや心の疲れを本人と周囲が客観的にわかりやすく把握できるようになれば、子育て困難に至る前に予防的な支援へつなぐことが期待できます。

実験では0〜6歳の子どもがいる母親30名を対象として、顔画像の表情からその人の気持ちを推測する課題を行いつつ、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)を用いて脳の活動を測定しました。その結果、気分の落ち込みが高い人ほど大人の気持ちを推測するといった共同子育てにとって重要な社会能力に関する脳右下前頭回)の活動が低下する傾向があることがわかりました。

今後、多くの施設で利用されるよう、企業との検出技術の共同開発や定期健康診査での活用を視野に入れた自治体との連携などを行い、養育者を支援するシステムとしての確立をめざします。

卵白写真と出来上がった卵白たんぱく質凝縮ゲルの写真
鶏卵より作製した卵白たんぱく質水溶液に、2種類のイオン性界面活性剤を加えると、水相と分離した透明な液状物質である卵白たんぱく質凝縮体が形成される。この凝縮体を熱処理(70度で加熱)すると高強度なゲルが得られた。

卵の白身を使った高強度ゲル材料を開発

戦略的創造研究推進事業ERATO

JSTnews 2018年4月号掲載

生物の体を作る重要な成分であるたんぱく質は、金属やセラミックスに続く次世代の材料として注目されています。しかし、微生物や細胞を培養し生産するため時間も費用もかかるという問題がありました。

東京工業大学科学技術創成研究院の野島達也特任助教(現・中国東南大学准教授)、彌田智一教授(現・同志社大学教授)らは、大量かつ安く入手できる食品たんぱく質である卵白に注目しました。卵白は透明で流動性のある生の状態から、加熱により白く弾力を持ったゆで卵の状態(ゲル状態)に変わります。このよく知られた現象に着目して、ゆで卵の150倍以上の強度を持つ新材料を開発しました。

通常のゆで卵の白身では、たんぱく質はランダムに絡まり合ってゲル状態となっています。研究グループは、卵白たんぱく質を一定間隔に集積させて加熱すれば、たんぱく質は規則的に絡まり合って、強度の高いゲルが形成すると考えました。研究グループは、これまでに、たんぱく質にイオン性界面活性剤を加えることで、水中のたんぱく質が一定間隔に集積した物質「たんぱく質凝縮体」を形成させる技術を開発してきました。この技術を卵白に応用してみると、卵白たんぱく質が一定間隔に集積しました。さらにこの状態で、70度で熱処理することで実際に高強度なゲルができました。

手術糸や関節軟骨再生の素材など体内に残留せずに一定期間後に吸収されるような医療用の素材や、グミや麺など新たな食感を持つ低糖質食品への応用が期待されます。

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