概要
分子でできたパーツを自在に組み立てて極限的に小さいコンピュータやマイクロマシンをつくり上げることは、人類が掲げてきた夢の技術のひとつである。今から30年ぐらい前に、ばらばらの分子のパーツに金属イオンを作用させると、配位結合と呼ばれる「分子と金属イオンを引きつける弱い力」が作用し、狙いとする働きをもった分子の集合体がひとりでにくみあがる現象を発見した。正方形に組み上げた分子が自己組織化(セルフアッセンブリー)は異なる構造を持つ分子同士をp軌道やsp混成軌道、それらの角度を考慮し組み合わせ、作りたい分子構造を設計することができる。この自己組織化はものづくりに応用できないかと考えられ研究が進められてきた。このような「分子の自己集合」の原理にもとづいた、究極的な省エネルギー化を目指すものであると言う。
内容
「適度な結合力」と「明確な配位結合」をもつ金属錯体として(en)Pd(NO3)2錯体を選択している。エチレンジアミンによってシス位を保護されたパラジウムの結合サイトは90度に制約されている。またパラジウム（金属）とピリジン窒素（有機配位子）の結合が可逆であるため、両者を混合するとさまざまな形を経由しながら最も分子が安定なところへと形を組みかえることができると考えられる。そのため有限で単一な構造が定量的に組み上がる。同様なコンセプトを用い、p軌道やsp混成軌道、それらの角度を考慮、有機配位子をうまく設計することでさらに複雑で巨大な分子集合体も組み上がることが期待できると言う。構築する分子には主に3つの制御があり、立体効果での制御、電子効果で制御する。幾何学の法則で制御する。自然界においても分子の自己組織化は存在する。一つの例として、タバコモザイクウィルスはそれぞれのパーツとなるタンパク質が設計図通りに螺旋階段状に自然に組み上がっていく。また、DNAも二重螺旋構造を持ち、設計図である遺伝子情報によってタンパク質ATGC(アミン、チミン、グアニン、シトシン)が自然と組み上がっていく。
ゴールドバーグ多面体は六角形と五角形からなる凸多面体である。五角形の相対的位置を示す二つの指数でその形状は表される。六角形のみからなるハニカム構造だけでは無限の平面が構築されるが、その中に五角形が入るとその形状は立体を成す。五角形の数により、頂点の数が変化する。また、拡張ゴールドバーグ多面体では四角形に三角形を導入することにより、立体を成すようになる。藤田氏は正八面体、立方八面体、斜方立方八面体などのマジックナンバーQとする飛び飛びの整数値を見つけた。この法則通りに自己組織される分子が存在し、その基となる分子を変えると自らそれに応じた大きさになる。
自己組織化から発展して結晶スポンジ法は自己組織化した分子構造に観測したい物質を加えると物質が隙間に入り込み、規則的な配列を成すことが明らかになった。これまで原子をX線回折で分析するためには周期配列を作り、ブラッグ反射が必要で結晶化させなければいけないと言われてきたが、この方法でも物質のX線解析が可能であることが明らかになった。この結晶スポンジ法は少量のサンプルで量としてはサブマイクロオーダーでの分析を可能にする。この応用例としては迅速な食品管理技術を持つこと、微量の香り成分を突き止めることで香料開発への応用、創薬の開発のため代謝物の構造を決め不純物を同定するゲノム情報の編集、医療医学の分野への応用などか期待されている。
Summary
The creation of extremely small computers and micromachines by freely assembling parts made of molecules is one of the dream technologies that humanity has been promoting. About 30 years ago, I discovered a phenomenon in which when metal ions are applied to the parts of disparate molecules, a “weak force that attracts molecules and metal ions” called a coordination bond acts, and a collection of molecules with the desired function is blown up by itself. Self-assembly of molecules assembled into squares (self-assembly) allows molecules with different structures to be combined in consideration of p-orbitals, sp hybrid orbitals, and their angles, and to design the molecular structure you want to make. Research has been conducted on whether this self-organization can be applied to manufacturing. Based on the principle of “molecular self-assembly,” it is said that it aims to achieve ultimate energy savings.
Substance
The Pd(NO3)2 complex is selected as a metal complex with “moderate binding force” and “clear coordination bonding”. The binding site of palladium, which is protected by ethylenediamine, is constrained to 90 degrees. In addition, since the bond between palladium (metal) and pyridine nitrogen (organic ligand) is reversible, it is thought that when the two are mixed, the shape can be rearranged to the most stable part of the molecule while passing through various forms. Therefore, a finite and single structure can be quantitatively assembled. Using the same concept, he considers p-orbitals and sp hybrid orbitals and their angles, and by designing organic ligands well, it is expected that even more complex and large molecular assemblies can be assembled. There are three main types of control for the molecules to be constructed: control by the three-dimensional effect and control by the electronic effect. Control by the laws of geometry. In nature, the self-assembly of molecules also exists. As an example, in the tobacco mosaic virus, the proteins that are each part are naturally assembled in a spiral staircase according to the blueprint. DNA also has a double-helix structure, and the protein ATGC (amine, thymine, guanine, cytosine) is naturally assembled according to the genetic information that is the blueprint.
The Goldberg polyhedron is a convex polyhedron consisting of hexagons and pentagons. Its shape is represented by two indices indicating the relative position of the pentagon. A honeycomb structure consisting only of hexagons alone can construct an infinite plane, but when a pentagon is inserted into it, the shape forms a three-dimensional shape. The number of pentagons changes the number of vertices. In addition, in the extended Goldberg polyhedron, a triangle is introduced into the quadrangle to form a three-dimensional structure. Mr. Fujita found a jumping integer value with the magic number Q for regular octahedron, cubic octahedron, and orthorhombic cubic octahedron. There are molecules that are self-organized according to this law, and if you change the molecule that is the basis of the molecule, it will become the size of itself.
Developed from self-assembly, the crystal sponge method revealed that when a substance to be observed is added to the self-assembled molecular structure, the material enters the gap and forms a regular arrangement. Until now, it has been said that in order to analyze atoms by X-ray diffraction, periodic arrangements must be created and Bragg reflection is required, and crystallization is required, but it has become clear that X-ray analysis of materials is also possible with this method. This crystal sponge method allows analysis of small samples at the sub-micro order in volume. Examples of this application are expected to be rapid food management technology, application to flavor development by identifying trace amounts of aroma components, compilation of genomic information to determine the structure of metabolites and identify impurities for drug discovery and development, and application in the field of medical medicine.
参考文献
藤田 誠 氏（東京大学大学院 工学系研究科 教授）
第9回 MACSコロキウム 京都大学理学研究科
https://youtu.be/LYhe_W6lztA
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