自然のように光を捕らえる「光エネルギーを取り込む材料」

パシフィック・ノースウエスト国立研究所（PNNL）の研究者は、ワシントン州立大学の共同研究者とともに、自然からヒントを得て、光エネルギーを取り込むことができる新しい材料を作りました。

“As a materials scientist, nature provides me with a lot of inspiration” said Chen. “Whenever I want to design a molecule to do something specific, such as act as a drug delivery vehicle, I can almost always find a natural example to model my designs after.”

参照元：https://www.pnnl.gov/news-media/harvesting-light-nature-does
– パシフィック・ノースウエスト国立研究所 Pacific Northwest National Laboratory. May 14, 2021 –

この材料は、高効率の人工集光システムを提供し、太陽光発電やバイオイメージングへの応用が期待されます。

この研究は、階層的な機能をもつ有機-無機ハイブリッド材料の開発に伴う困難な課題を克服するための基盤となるものです。

自然界には、骨や歯のように、階層的に構造化されたハイブリッド材料の美しい例があります。

これらの材料は、一般的に、強度や靭性の向上などの多くの優れた特性を達成することができる正確な原子配列を示しています。

本研究の対応著者であるPNNLの材料科学者Chun-Long Chen氏は、共同研究者とともに、天然のハイブリッド材料の構造的・機能的な複雑さを反映した新しい材料を開発した。

この材料は、タンパク質のような合成分子のプログラム可能性と、ケイ酸塩ベースのナノクラスターの複雑性を組み合わせて、新しいクラスの非常に堅牢なナノクリスタルを生み出した。

そして、この2次元ハイブリッド材料をプログラムして、高効率の人工光捕集システムを開発した。

Chen氏は話します。

「太陽は、私たちにとって最も重要なエネルギー源です。私たちは、自然の植物や光合成細菌のように、光エネルギーを収穫するようにハイブリッドナノ結晶をプログラムできるかどうかを調べました。」

本研究の成果は、2021年5月14日、Science Advances誌に掲載されました。

このようなタイプの階層的構造をもつ材料を作るのは非常に難しいが、Chen氏の学際的な科学者チームは、専門的な知識を組み合わせて、このような配列を形成できる配列定義分子を合成しました。

研究チームは、ペプトイドと呼ばれるタンパク質のような構造体を変化させ、その片方の端に精密なケイ酸塩ベースのケージ状構造体（POSSと略す）を取り付けた。

そして、適切な条件のもとで、これらの分子が自己集合して、完璧な形の2次元ナノシートの結晶ができることを発見したのです。

これにより、個々の分子の高い安定性と優れた機械的特性を維持したまま、自然界の階層構造に見られるような細胞膜のような複雑さを、もう1層作り出すことができました。

Chen氏は話します。

「材料科学者である私にとって、自然は多くのインスピレーションを与えてくれます。”薬物送達媒体として機能するなど、何か特定の目的のために分子を設計したいと思ったときには、ほとんどの場合、設計のモデルとなる自然の例を見つけることができます。」

POSS-Peptoidナノ結晶の作製に成功し、高いプログラム性を含むユニークな特性を実証した後、チームはこの特性を利用することに着手しました。

研究チームは、特定の位置や分子間の距離に特殊な官能基を含むように材料をプログラムしました。

このナノクリスタルは、POSSの強度と安定性に加えて、ペプトイドの構成要素の可変性を兼ね備えているため、プログラムの可能性は無限大でした。

科学者たちは、再び自然からインスピレーションを得て、植物の色素と同じように光エネルギーを捕らえるシステムを作りました。

ナノ結晶内の正確な位置に、特殊な「ドナー」分子のペアと、「アクセプター」分子を結合させるケージ状の構造を加えたのです。

ドナー分子は特定の波長の光を吸収し、その光エネルギーをアクセプター分子に伝達します。

そして、アクセプター分子は別の波長の光を放出する。今回開発されたシステムは、96%以上のエネルギー伝達効率を示し、これまでに報告されたこの種の水性光捕集システムの中で最も効率的なシステムの1つとなりました。

POSS-peptoidsの光捕集への利用を実証する

研究チームは、このシステムの使用方法を紹介するために、ナノクリスタルを生体適合性の高いプローブとして生きたヒトの細胞に挿入し、ライブセルイメージングを行いました。

アクセプター分子が存在する細胞に特定の色の光が当たると、細胞は異なる色の光を発します。

アクセプター分子が存在しない場合は、色の変化は観察されません。

研究チームは、このシステムの有用性を、今のところ細胞のライブイメージングでしか実証していませんが、この2次元ハイブリッド材料の優れた特性と高いプログラム性から、これが多くのアプリケーションの1つになると考えています。

Chen氏は話します。

「この研究はまだ初期段階にありますが、POSS-ペプトイド2次元ナノクリスタルのユニークな構造的特徴と高いエネルギー移動性は、太陽光発電から光触媒まで、さまざまなシステムに応用できる可能性があります。」

Chen氏と同僚たちは話します。

「この新しいハイブリッド材料の応用の道を探っていきます。」