テラヘルツ光と高輝度放射光で見るファンデルワールス力

2019年9月11日
国立大学法人東北大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】
● テラヘルツ光と高輝度放射光を用いてファンデルワールス極限のごく弱い水素結合の形成を観測
● 結晶を形成しない非晶質試料の明瞭なテラヘルツ分光スペクトル測定に成功
● 温度の効果を、外部電場に対する物質中の原子の応答特性である誘電率の変化に置き換え、複雑な非晶質高分子量モノマーの振動吸収スペクトル解析に成功

東北大学大学院農学研究科　高橋まさえ准教授、理学研究科　松井広志准教授、工学研究科　鈴木誠名誉教授、森本展行准教授、および、高輝度光科学研究センター　池本夕佳主幹研究員らの研究グループは、生体適合性材料である双性イオン分子において、温度や圧力などの環境への感受性をつかさどる弱いファンデルワールス力の発現を、テラヘルツ光と大型放射光施設SPring-8のBL43IRにおける高輝度放射光を用いた測定と高精度第一原理計算による理論解析をもとに明らかにしました。
生体適合性材料は、生体と接触した際に拒絶反応を生じないため、人工臓器のコーティングやドラックデリバリーなどに広く応用が期待されます。生体適合性材料である双性イオン分子は、温度や圧力などの環境に敏感であり、室温程度のエネルギーで容易に影響を受けるごく弱いファンデルワールス力が、これらの特性をつかさどっています。本研究では、水素結合検出に有用なテラヘルツ光と、微量試料の測定に有効な高輝度放射光を用いて、ファンデルワールス極限の弱い水素結合の形成を低温で観測することに成功しました。本研究は、温度、圧力などの環境に感受性を持つ生体適合性材料のデザインに新たな機軸を提供するものです。

本研究の成果は、2019年9月11日午前10時（英国時間）に英国Nature Publishing Groupのオンライン科学雑誌 『Scientific Reports』 に掲載されました。

【原論文情報】
雑誌名：Scientific Reports
タイトル：Assessment of the VDW interaction converting DMAPS from the thermal-motion form to the hydrogen-bonded form
著者：Masae Takahashi, Hiroshi Matsui, Yuka Ikemoto, Makoto Suzuki & Nobuyuki Morimoto
DOI: 10.1038/s41598-019-49352-1

【研究の背景】
ファンデルワールス力の観測は、生物学的機能の柔軟な調節機構を調べるうえで中心的研究であり、基本となります。ファンデルワールス力は、中性分子間に働く引力として最初にファンデルワールスにより提唱されたものですが、その発生要因は、電荷分布の時間的ゆらぎに起因し、純粋に量子物理学起源の力（分散力）であり、近年ようやく理論的取扱いが可能となったものです。ファンデルワールス相互作用のエネルギーは、室温の温度と同程度で、ファンデルワールス極限の水素結合は、室温でついたり離れたりしています（熱運動型）。室温で機能する生物系では、この弱い相互作用が生物系特有のファジーで魅力的な特質を引き出しています。分子全体としては中性の双性イオン分子のような生体適合性材料は、隣り合わない位置に正負のイオン対を有しており、その構造は、分子内に正負のイオンを持つ基本的生体分子であるアミノ酸やリン脂質などのバイオミメティックであり、生体適合性を示します。生体と接触した際に拒絶反応を生じないため、医学薬学などへ応用されており、目的に応じた様々な生体適合性材料のデザインが切望されています。