ナノ粒子が素材性能の鍵として浮上
MITの研究チームが、世界で未だ知られていなかったナノ粒子の結晶構造を作り出すことに成功した。鍵となったのは柔軟な連結部位だった。ナノ粒子は髪の毛の太さの数万分の一のサイズの微粒子であり、今回の成果は次世代素材開発に新たな可能性を提示した。ナノ粒子は優れた素材性能を実現するための核心素材として注目されてきたが、粒子を望みの構造に組み立てるプロセスは容易ではなかった。各ナノ粒子が周囲の粒子とどれだけ、どの方向に連結するかを精密に制御することが難しかったからだ。
従来は、ナノ粒子の形状を変えたり、表面の特定の部分のみで結合が起こるよう設計する方式が主に用いられていた。粒子間をつなぐリガンドは一定の方向を維持できるようしっかりと結合させる必要があり、連結部が少しでも柔軟になると組み立てが失敗する、というのが20年間の常識だった。MIT材料科学・工学科のロバート・マクファーレン教授の研究チームは、この通説に反して連結部を柔軟にする道を選んだ。
研究チームが使用したナノ粒子は、正電荷と負電荷を持つ柔軟なリガンドに囲まれている。互いに反対の電荷は引き合うため、リガンドは逆の電荷を持つ連結部に向かって曲がり、粒子同士を連結する。研究チームは複雑な合成方法で結合方向をあらかじめ指定する代わりに、連結部が自由に動けるようにしたところ、リガンドは結合の安定性を高める方向に自発的に配列した。
研究チームの一員であるニコラス・スバルバが主導した実験では、ナノ粒子のサイズとリガンド鎖の長さを変えることで粒子間の連結を調節できることが確認された。このような調節を通じて、粒子の形状や連結位置を事前に設計しなくても結合数を制御でき、連結部の柔軟性と粒子サイズ、分子鎖の長さを調節すれば、1つの粒子が周囲の粒子と結ぶ結合数を変えられることを解明した。研究チームは、従来の密な配列とは異なる低い結合数の結晶構造の形成にも成功した。マクファーレン教授の研究チームは、粒子の形状や表面の結合位置を複雑に設計することなくナノ粒子の配列を制御できる新しい方法だと説明した。
ナノ粒子はサイズや形状、表面特性を自由に調節でき、エネルギー貯蔵、医療、電子機器など多様な分野での活用可能性を見せる素材だ。研究チームは、今回の方式が光学素材、化学触媒、医薬品デリバリーなど、特定の機能を持つよう設計されたナノ素材の開発に活用できると明らかにした。
今回の研究成果は、国際学術誌「ネイチャー・マテリアルズ」11月最新号に掲載された。研究は米国科学財団(NSF)とエネルギー省(DOE)、米陸軍および海軍の支援を受け、実験はMITナノ研究所で行われた。
