層間適応結晶(LAC)は、取り込む分子との静電的な相性に応じて結晶構造を自ら変化させることで、二酸化炭素や芳香族分子を選択的に認識・取り込む新しい結晶材料として開発されました。
研究の概要
芝浦工業大学工学部の堀顕子教授らの研究チームは、取り込む分子によって層と層の間隔が蛇腹のように広がる新しい結晶材料「層間適応結晶(Interlayer Adaptive Crystal, LAC)」を開発しました。従来の多孔性材料が固定された細孔を利用するのに対し、本材料は分子との相互作用によって結晶自身が形を変える点が特徴です。※本研究成果はWiley「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版に掲載されています。
研究の主な特徴：
結晶構造：亜鉛イオンと有機分子からなる二次元シートの積層構造
分子認識：フッ素化された結晶表面の「π-hole」領域による静電的相互作用を利用
選択的吸着：CO2を窒素やメタンより優先的に取り込み、高湿度条件でもその性能を維持
芳香族分子の認識：ベンゼンをフッ素化ベンゼンやシクロヘキサンから高選択的に分離
新しい分子認識機構の仕組み
本結晶は、もともと約0.26ナノメートルという非常に小さな隙間しか持ちませんが、CO2（動力学的直径0.33ナノメートル）やベンゼン（直径約0.59ナノメートル）といった、隙間よりも大きな分子を内部に取り込むことができます。分子が近づくと層間が広がって取り込みを行い、分子を取り出した後には構造が元に戻ります。この仕組みにより、単なる大きさによるふるい分けではなく、分子との相性に基づいた精密な識別が可能となりました。また、取り込まれた分子は結晶内部で一次元的に配列することも確認されています。
今後の展望
本研究は、特定の分子に合わせて最適な空隙を形成する新しい材料設計の指針を示すものです。今後はCO2回収や混合ガス分離のほか、形状や大きさが酷似した有機分子の精密な識別・精製への応用が期待されます。また、結晶内部での分子輸送や反応制御といった機能性材料への展開も視野に入れています。
まとめ
層間適応結晶(LAC)は、分子との相互作用を利用して結晶構造を適応させることで、従来の多孔性材料では困難だった分子の選択的認識を実現しました。この技術は、高効率なガス分離や高度な化学物質精製に向けた革新的な材料として期待されます。
