名古屋大学は化学分野でのブレークスルーを達成し、骨格編集技術を用いてナノカーボンの合成を行いました。このチームは、カーボン分子の外縁に限定されることなく、平面剛性カーボン分子内部の結合を切断し再構成することで、複雑で以前は実現不可能だった内部構造を構築しました。この新しい方法により、重なり合わない左手と右手の鏡像に存在する独特なキラルナノカーボンが合成されました。
ナノカーボンは微小なカーボン構造であり、未来の材料の基盤を築くものです。しかし、化学には暗黙のルールがあります：カーボンシートの内部を干渉してはいけません。平面カーボン分子は内部の結合により剛性を持ち、平面六角形の格子に固定されます。中心を強引に変えると、強い構造的ストレスが分子を破裂させることになります。そのため、合成化学者は安全な道を選び、外縁に小さなカーボンシートをつなげることで次世代の材料を構築してきました。この新たな成果において、チームは骨格編集と呼ばれる精密な化学手術を採用しました。この技術は薬物開発で広く使用されており、化学者は薬物化合物内の単一の原子を置換して、その人体との相互作用を微調整します。
重い非生物ナノカーボンにそれを適用することは不可能な挑戦と考えられていました。
名古屋大学の研究はカーボン分子内部の変更が可能であることを示す
名古屋のチームは、懐疑的な見解が誤りであることを証明しました。出発分子と反応を正確に選択することで、内部の結合が切断され、異なる形状に再構成されました。その中には、キラルフレームに埋め込まれた巨大な10炭素環が含まれています——これは以前は不可能と考えられていた構造的成果です。さらに、ミニDNA螺旋のような分子二重螺旋もあります。これらの分子は「キラル」であり、独特な左手と右手の形で存在します。特定の左手または右手の形状の大型ナノカーボンをこのように高い精度（不斉合成）で生成する成功例は、これまでにわずか2回しかありません。
これらの新しく合成された構造は、注目すべき物理特性を示しています。光にさらされると、これらのナノカーボンは緊密に螺旋状の光を放ちます。二つの合成変種は、分解することなく複数の電荷を吸収し蓄えることができます。もう一つは、最高280°C（536°F）の温度でそのねじれた形状を維持することができます。最も注目すべきは、二重螺旋分子が自己組織化して多孔質の結晶フレームを形成し、その内部は螺旋状の通路で満たされていることです。これらの微視的な孔は選択的に二酸化炭素を捕獲し放出することができ、この材料は炭素捕獲やガス貯蔵システムの有望な候補となります。
名古屋大学大学院の副教授福井則仁は次のように述べています。「分子の内部を変更すると、著しいストレスが生じるため、ほとんどの反応は分子の周りで行われます。時間が経つにつれて、内部が変更できないと考えられるようになりました。しかし、正しい方法と適切な出発分子を用いることで、内部を変更し、以前は製造できなかった分子形状や構造を創造することができます。」この発見は材料設計の新たな領域を開き、カーボンシートが破壊されることなく内部編集が可能であることを証明しました。将来的な応用は、超低消費電力計算素子、高度な光学暗号装置、先進的な気候浄化装置を含む可能性があります。
この研究成果は『Nature Communications』に発表されました。