Japanese Author

加熱しても冷却してもできる超分子ポリマー

宮島 大吾

Nature ダイジェスト Vol. 14 No. 9 | doi : 10.1038/ndigest.2017.170915

プラスチックなどポリマーは温度が上昇するとバラバラになるという常識を覆し、加熱すると結合(重合)する「超分子ポリマー」の開発に、理化学研究所の宮島大吾上級研究員、相田卓三グループディレクターらの研究チームが成功した。分散した状態で冷却しても同様の重合が見られ、新たな材料開発に道を開くものとして注目される。6月26日付Nature Chemistry電子版に掲載された1。開発の背景、今後の研究の方向性などについて、研究を中心となって進めた宮島上級研究員に聞いた。

–– まずは、研究の背景について教えてください。

宮島: 身の回りを見渡すと、プラスチックなど高分子が重合した製品があふれています。我々の研究室は、今までにない新しいポリマー(有機高分子化合物)の開発に挑戦しています。ポリマーは、それを構成するモノマーが共有結合という強い力で数珠のようにつながって形成されます。一方、30年ほど前に、モノマー同士が水素結合などの弱い力でくっつく「超分子ポリマー」という新しい高分子が開発されました。従来のポリマーの共有結合より、かなり弱い力で重合したものです。私たちは超分子ポリマーの、従来のポリマーにはない性質に注目し研究を行ってきました。

–– 超分子ポリマーでどのようなことを目指されたのですか?

宮島: 超分子ポリマーに限らず、熱力学の法則より全てのポリマーは加熱するとある温度でバラバラになってしまいます。モノマー同士が弱い力でくっついている超分子ポリマーは特にバラバラになりやすく、材料への応用の際、問題視されていました。私たちは、加熱するとバラバラになるという常識に反し、加熱すると重合するポリマーができれば面白いのではないかと考えました。

–– どのようにして、熱力学の法則を打ち破ったのですか?

図1 ポリマーがLCSTにより凝集する仕組み
水溶液中のポリマーを加熱すると、ある温度でポリマーが凝集して白く濁る。加熱することで水分子がポリマーから解放され、ポリマー同士が結合しやすくなった。 | 拡大する

宮島: 熱力学の法則を破ることはできませんが、一見するとこの法則に反するような現象が報告されており、それがヒントになりました。ある種のポリマーを水溶液に溶かし加熱すると、水中でバラバラだったポリマーが凝集し、沈殿や不透明な集合体を形成することが報告されています。この集合体ができる温度は「下限臨界共存温度(LCST)」と呼ばれます。加熱するとポリマーが凝集しますので、前述の熱力学の法則に反する現象です。しかし、実際には、この現象も熱力学の法則にしっかりと則っています。このような現象を示すポリマーは、水素結合などで多くの水分子を表面に吸着しています。熱力学の法則より、加熱するとこの水分子がバラバラになりポリマーから離れていきます(図1)。その結果、水分子から解放されたポリマー同士が結合しやすくなり、凝集するのです。この原理を応用すれば、超分子ポリマーが作れるのではないかと考えました。

–– LCSTというのは面白い現象ですね。他の研究者も注目されているのでしょうか?

宮島: はい、現在も多くの研究者たちが熱心に研究を行っています。その中でも東京女子医科大学の岡野光夫教授らはこの原理を利用し、無侵襲でシート状培養組織を回収する技術を確立し実用化しています。「ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)」というLCSTを示すポリマーからなるシート上で細胞を培養することで、LCSTまで温度を上昇させて培養組織を簡単に剥がすことができるのです。このように多くの研究が行われていますが、私たちのように加熱してポリマーを形成するためにLCSTの原理を応用しようと考えた研究者はあまりいなかったようです。

–– 今回の開発した超分子ポリマーについてお聞かせください。

宮島: 私たちは「PORCu」というモノマーを設計・合成し、ここにアルコールを加えることで、加熱すると重合する超分子ポリマーを実現しました。PORCuは、中央に銅(Cu)があるポルフィリンに側鎖が4つ結合した構造をしています。1つの側鎖には2つのアミド基(-NH-CO-)があります。アミド基(図2青い円)は、アミド基同士で水素結合を形成することができます。PORCuは、中央の構造のπ共役コア同士が重なることで生じる「π–π相互作用」と、側鎖のアミド基同士の分子間水素結合で重合していると考えられます。

 PORCu以外に4種類設計しましたが、いいものができるまで1年かかりました。PORCuは極性(分子内の電気的な偏り)が低い有機溶媒中では重合してポリマーを形成します。110℃以上に加熱しても脱重合は起こりません。

全文を読むには購読する必要があります。既に購読されている方は下記よりログインしてください。

Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

プライバシーマーク制度