物質システム科学専攻 高見澤聡研究室が分子の流れを精密にコントロールする新しい機構を開発！
2015.11.17
- プレスリリース
- 研究
物質システム科学専攻 高見澤聡研究室が分子の流れを精密にコントロールする新しい機構を開発！
ナノサイズのバルブ开発を可能に
平成27年11月16日
研究推进课
研究推进课
横浜市立大学生命ナノシステム科学研究科 博士后期课程 高崎祐一氏が同大学 高见泽聡教授と共同で、分子流体制御の原理的最小サイズである1ナノメートル（10-9尘）を下回る空间を、任意の时间に、かつ任意の位置で能动的に制御する机构を开発し、ガス流体操作の実証に成功しました。
この研究成果は、分子流を微小かつ厳密に切り换えるナノサイズのバルブ开発を可能とするもので、今后、ミクロ流体制御素子の开発を促进し、マイクロ流体チップや医疗机器などミクロ流体制御関连技术への贡献が期待できます。
本研究成果に関する动画（驰辞耻罢耻产别）
本研究成果の詳細「Active porous transition towards spatiotemporal control of molecular flow in a crystal membrane」は英国の総合科学誌 Nature Communicationsに掲載されます（11月16日オンライン掲載）。
研究成果のポイント
○ 細孔要素（ポロン（Poron）（※1））凝集状態の転移で細孔構造をスイッチする新概念の提唱。
○ 迅速かつ可逆的なガス透過方向および流量の新しい制御手法の実験的実証に成功。
○ 微小な精密流体制御素子（ナノバルブ）への応用が期待できる。
○ ナノ流体制御関連技術への貢献が期待できる。
○ 迅速かつ可逆的なガス透過方向および流量の新しい制御手法の実験的実証に成功。
○ 微小な精密流体制御素子（ナノバルブ）への応用が期待できる。
○ ナノ流体制御関連技術への貢献が期待できる。
研究の概要と成果
流体の量や方向を制御するバルブ机能は、スケールの大小に依らず様々な流体制御において根干をなす机构です。従来のバルブは、流体の経路を物理的に遮断もしくは歪ませる机构です。ミクロ流体制御に必要となる装置の微小化と精密な微量流量制御を従来のバルブで実现するには、技术的な限界があります。
今回、応力诱起マルテンサイト変态（※2）を利用し、応力によって多孔质结晶を転移させる机构を开発しました。この机构により、数百ミクロンサイズの微结晶中の任意の场所で、分子サイズの孔を持つ结晶领域を可逆的に方位変换させ、迅速かつ可逆的なガス分子流の制御が可能であることを、単结晶ガス透过膜测定によって実証しました（図1）。
この新しいバルブ机构は、超精密流体制御素子（ナノバルブ）への応用が可能であり、かつ今后のミクロ流体制御素子の开発を促进するものと考えられます。
この新しいバルブ机构は、超精密流体制御素子（ナノバルブ）への応用が可能であり、かつ今后のミクロ流体制御素子の开発を促进するものと考えられます。
研究内容の详细
これまでに、安息香酸銅（II）ピラジン付加物は分子性の多孔質単結晶を生成し、また水素ガスおよび二酸化炭素ガスに対する高い選択透過性を示すことを明らかにしてきました [参考文献1、2]。本研究では、この多孔質結晶中の物質に囲まれた細孔を空孔単位（“ポロン”）の凝集体とみなし、ポロン凝集状態の能動的制御によりガス透過機能をスイッチさせる新しい機構原理の提唱と実験的実証を目的に研究を行いました。その結果、機械的負荷による応力誘起マルテンサイト変態によって一次元細孔の方位変換が誘起され、結晶中のガス透過流路を可逆的にスイッチすることに成功しました（図2）。透過方向のスイッチは、結晶の任意の位置およびタイミングで繰返し誘起できます。また、除荷すると細孔方位が元に戻る有機超弾性（※3）、[参考文献3]の特性により操作簡便性を有していることも明らかになりました。これは、金属錯体結晶および多孔質結晶における初めての超弾性の例となり、有機超弾性による機能複合化で新機能材料を創出する有効性を示すものでもあります。ガス分子サイズと同程度である内径0.8 nmの空孔単位（ポロン）を可逆的に再配向する本機構は、原理上、最小の流体制御手法であり、固体中の分子流を制御する超精密流体制御素子（ナノバルブ）開発の新しい指針となります。
図2. 応力誘起マルテンサイト変態によるガス分子流制御の概念図:
応力负荷／除荷による构造転移（青&谤补谤谤;赤／赤&谤补谤谤;青）で细孔方位が変换する様子
応力负荷／除荷による构造転移（青&谤补谤谤;赤／赤&谤补谤谤;青）で细孔方位が変换する様子
今后の展开
従来の微小流体制御は、本质的に経路を歪ませて流量を制御するものであり、ミクロ素子化と流量の精密制御を同时に実现するのは困难でした。一方、本研究成果は、ポロン凝集状态の転移による再配向领域（図2赤领域）の増减により、均质なガス分子経路数（细孔数）を厳密に制御できるため、各细孔からの分子流の积算により极微量の流束でも线形的に制御できる新しい机构原理です。ナノメートルスケールの精密な流体制御（狈补苍辞蹿濒耻颈诲颈肠蝉）能をもつミクロ素子としての利用と今后のミクロ流体制御関连技术への贡献が期待できます。
论文着者ならびにタイトルなど
＜タイトル＞
Active porous transition towards spatiotemporal control of molecular flow in a crystal membrane.
＜着者名＞
Yuichi Takasaki & Satoshi Takamizawa*
＜雑誌＞
Nature Communications
＜顿翱滨＞
doi:10.1038/NCOMMS9934
＜鲍搁尝＞
※本研究は民间助成金（泉科学技术振兴财団、スズキ财団、池谷科学技术振兴财団）ならびに横浜市立大学戦略的研究推进费（骋2503）「水素エネルギー有効利用に向けた基盘技术の构筑」（研究代表：橘胜教授）の支援を受けて行われました。
Active porous transition towards spatiotemporal control of molecular flow in a crystal membrane.
＜着者名＞
Yuichi Takasaki & Satoshi Takamizawa*
＜雑誌＞
Nature Communications
＜顿翱滨＞
doi:10.1038/NCOMMS9934
＜鲍搁尝＞
※本研究は民间助成金（泉科学技术振兴财団、スズキ财団、池谷科学技术振兴财団）ならびに横浜市立大学戦略的研究推进费（骋2503）「水素エネルギー有効利用に向けた基盘技术の构筑」（研究代表：橘胜教授）の支援を受けて行われました。
お问い合わせ先
本资料の内容に関するお问合せ
公立大学法人横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科
教授 高见泽 聡
Tel:045-787-2187
E-mail:
教授 高见泽 聡
Tel:045-787-2187
E-mail:
取材対応窓口、资料请求など
公立大学法人横浜市立大学 研究推进课長 竹内 紀充
Tel 045-787-2019
E-mail:
Tel 045-787-2019
E-mail:
参考文献
［1］Y. Takasaki, S. Takamizawa, Gas permeation in a molecular crystal and space expansion, J. Am. Chem. Soc., 136 (19), 6806-6809 (2014).
［2］S. Takamizawa, Y. Takasaki, R. Miyake, Single crystal membrane for anisotropic and efficient gas permeation, J. Am. Chem. Soc., 132 (9), 2862-2863 (2010).
［3］S. Takamizawa, Y. Miyamoto, Superelastic organic crystals, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 6970-6973 (2014).
［2］S. Takamizawa, Y. Takasaki, R. Miyake, Single crystal membrane for anisotropic and efficient gas permeation, J. Am. Chem. Soc., 132 (9), 2862-2863 (2010).
［3］S. Takamizawa, Y. Miyamoto, Superelastic organic crystals, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 6970-6973 (2014).
用语説明
（※1）ポロン（笔辞谤辞苍）
结晶中の物质に囲まれた真空空间であるサブナノスケールの细孔（辫辞谤别）を拟粒子(辫辞谤辞苍）として扱う新概念。细孔构造変化を空孔単位の凝集状态変换として捉える。
（※2）応力诱起マルテンサイト変态
応力の负荷により生じる不拡散型の塑性変形。
（※3）有机超弾性
有机物固体の超弾性现象。昨年（2014年）に初めての报告がなされた摆参考文献3闭。応力诱起マルテンサイト変态によって変形した固体が、除荷后に自発的に形状復元する物理特性。超弾性は1932年の金－カドミウム合金での报告が端绪とされる。有机超弾性の発见がなされるまでは特殊な合金でみられる特异な物理现象と考えられてきた。
结晶中の物质に囲まれた真空空间であるサブナノスケールの细孔（辫辞谤别）を拟粒子(辫辞谤辞苍）として扱う新概念。细孔构造変化を空孔単位の凝集状态変换として捉える。
（※2）応力诱起マルテンサイト変态
応力の负荷により生じる不拡散型の塑性変形。
（※3）有机超弾性
有机物固体の超弾性现象。昨年（2014年）に初めての报告がなされた摆参考文献3闭。応力诱起マルテンサイト変态によって変形した固体が、除荷后に自発的に形状復元する物理特性。超弾性は1932年の金－カドミウム合金での报告が端绪とされる。有机超弾性の発见がなされるまでは特殊な合金でみられる特异な物理现象と考えられてきた。