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KEK

ソフトマターグループ

高分子や液晶、コロイド、両親媒性分子等の物質は、固体に比べてやわらかな性質を持つことから「ソフトマター」と総称されています。このソフトマターは軽くて強い素材として、あるいは洗浄やコーティング等のための機能性物質として、身の回りのあらゆるところで使われています。またタンパク質や細胞膜などの生体物質の基本構成要素でもあります。それらのソフトマターがどのような構造を持ちどのように機能を発揮しているのか、と言うことをテーマに、中性子反射率、中性子スピンエコー、中性子小角散乱に加えて、X線小角散乱や光散乱などの手法を用いて研究を行っています。

ソフトマター物理への招待

主な研究分野

ナノスケールの秩序構造と相転移

多くのソフトマターはファン・デル・ワールス力やクーロン力等の相互作用とエントロピー的な効果の競合によって、原子スケールからマクロスケールに至る階層的な秩序構造を持っています。その中で特にナノスケールの構造と秩序化、またそれらのダイナミクスに焦点を絞って研究を進めています。

●両親媒性分子膜の構造とダイナミクス
●イオンの効果による液体の秩序構造

プレス・ リリース 塩が界面活性剤のように振る舞う現象を発見

水と油と界面活性剤が作る様々なナノ構造 水と有機溶媒に塩を加えてできるオニオン構造
水と油と界面活性剤が作る様々なナノ構造(左) 水と有機溶媒に塩を加えてできるオニオン構造(右)

アメーバのように自発的に運動する油滴

水に界面活性剤を溶かした水溶液の上に脂肪酸を加えた油滴を落とすと、まるでアメーバのように油滴が自発的に運動する様子を見ることができます。そしてこのときの水と油の界面をよく見ると、ゲル状の堅い物質ができてそれが時間的に膨らんだり縮んだりしている様子が見てとれます。我々はX線小角散乱や中性子小角散乱でこのゲルの構造を調べて、界面活性剤が層状に規則的に並んだナノスケールの構造ができていることを明らかにしました。そしてこのような研究を通じて、生命体がどのようなメカニズムで自発的に運動するのか、と言う点に迫ろうとしています。

PFトピックス 非平衡状態にある油滴の自発的変形運動のメカニズムを解明
News@KEK生き物のように蠢く油滴

油滴のアメーバのような自発運動
油滴のアメーバのような自発運動

モデル生体膜の構造形成メカニズム

細胞やその小器官を構成する「生体膜」は5ナノメートル程度の厚さを有するリン脂質の二分子膜(脂質二重膜)にタンパク質などの生体関連物質が埋め込まれた構造をとっていることが知られています。この、生体膜のベースとなるリン脂質は石けんのような両親媒性分子(水に馴染む親水部と油に馴染む疎水部を有する分子)で、水に溶かすと親水部が疎水部を取り囲むよう脂質二重膜のような二分子膜を自発的に形成します。このリン脂質による二分子膜は生体モデル膜として生化学的な研究はもちろん、物理学的なアプローチによるリン脂質二分子膜の形成メカニズム解明に向けた研究にも用いられています。我々のグループではX線や中性子を用いてモデル生体膜のナノ構造を観察し、リン脂質ベシクル(リン脂質膜によって作られたマイクロスケールの袋)の温度変化による構造制御や生体関連物質の添加による変形挙動に関する研究を行っています。

IMSSトピック 人工細胞膜の変形挙動を解明

リン脂質ベシクルの構造制御の例
リン脂質ベシクルの構造制御の例

ココアバターの結晶成長メカニズム

チョコレート中に含まれるココアバターはカカオマスや砂糖など味に係わる成分を閉じ込めるカプセルのような役割を果たしており、その物理的特性がチョコレートの食感を支配しています。ただし、その物理的特性を支配するココアバター結晶の種類はI型からVI型まで6種類あると言われており、それぞれ分子のパッキングの仕方が異なることはもちろん、密度や融点といった物理的な特性も変化します。中でも高密度で融点が約33℃のV型結晶はチョコレートに最適で、高いスナップ性と口に含むと溶けていく滑らかな舌触りを示します。そのため、V型の結晶を効率よく作成するための研究が行われており、我々のグループでは中性子線を使ってココアバターの結晶構造を観察し、その結晶構造メカニズムの解明に取り組んでいます。

IMSSハイライト チョコレートを美味しくする物理
IMSSイベント チョコレイト・サイエンス~物理で美味しく

チョコレートの模式図とココアバターの結晶成長の観察例
チョコレートの模式図とココアバターの結晶成長の観察例

中性子とミュオンを用いた摩擦と潤滑の研究

物体と物体の界面で起きる「摩擦」の制御はエコな社会を作るためには極めて重要です。また摩擦と摩耗を減らすための「潤滑」の技術も同じように重要なのですが、しかしそのメカニズムを理解するための基本原理は分からないことが多く、解明が待たれています。そこで我々は物体と物体の間の界面を直接観ることができる中性子反射率法と、分子や分子集団の運動状態を知ることができる中性子準弾性散乱法とミュオンスピン緩和法を用いることによって、摩擦と潤滑を研究する「トライボロジー」に切り込もうとしています。

KEKハイライト 止る・滑るを科学する「トライボロジー」

中性子反射率計を用いた摩擦・潤滑界面の研究
中性子反射率計を用いた摩擦・潤滑界面の研究

メンバー

メンバー
瀬戸 秀紀 教授  専門:ソフトマター物理
遠藤 仁  准教授 専門:高分子科学、生物物理
山田 悟史 助教  専門:ソフトマター物理
堀 耕一郎 特任助教  専門:高分子科学
竹下 聡史 特任助教  専門:構造物性、ミュオン、放射光
根本 文也 博士研究員 専門:ソフトマター物理

担当ビームライン

試料水平型中性子反射率計 SOFIA (BL-16)
中性子共鳴スピンエコー装置群 VIN-ROSE (BL-06)

進行中のプロジェクト

光・量子融合連携研究開発プログラム 中性子とミュオンの連携による「摩擦」と「潤滑」の本質的理解

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