キラルチャネルを有する液晶ナノ構造分離膜の開発と光学分割への応用

具有手性通道的液晶纳米结构分离膜的研制及其在光学拆分中的应用

• 批准号: 21J10984
• 负责人: 濱口 和馬
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10984/
• 关键词: 液晶; 自己組織化; 物質輸送; 分離機能; 水処理膜; イオン伝導; 膜

流動性と秩序を併せ持つ液晶を利用して、規則的なナノチャネル構造と新たな水処理機能を有する液晶ナノ構造分離膜の研究が近年行われている。液晶ナノ構造分離膜はチャネル構造や官能基の制御により、水中の不要物除去のみならず、高性能な選択的物質透過材料へと応用できる可能性がある。本研究では、両親媒性液晶の分子設計と集合構造制御を基盤とする物質輸送・分離機能を有する材料開発を目指している本年度は、ジオール部位を有する液晶ナノ構造水処理膜中の水分子の水素結合について、放射光を用いた高分解能軟X線発光分光法による構造解析を行った。ヒドロキシ官能基を持つナノチャネルに閉じ込められた水分子は、バルク水に近い水素結合構造を示し、ジオールのヒドロキシ基と直接相互作用していた。この水素結合構造は、カチオン性官能基を導入した自己組織化チャネルに閉じ込められた水分子がより歪んだ水素結合をとることとは対照的である。これはチャネル官能基が狭い空間で水素結合を供与・受容する能力の違いに起因すると考えられる。また、新たな両親媒性分子を設計・合成していく中で、脂環式メソゲンとオキシエチレン部位を含んだ両親媒性分子が、SmA-SmB-SmAという特異なリエントラント液晶相転移を示すことを発見した。電子密度プロファイルと分子動力学シミュレーションにより、このリエントラント現象は、剛直なメソゲン部分のパッキングと柔軟なオキシエチレン部位のコンフォメーションが温度によって段階的に変化することで引き起こされていることが分かった。また、リチウム塩と複合化することで、伝導度が温度によって多段階に変化する液晶性イオン伝導材料の開発にも成功した。

近年来，对具有常规纳米渠道结构和新的水处理功能的液晶纳米结构分离膜进行了研究，利用具有流动性和顺序的液晶。液晶纳米结构的分离膜不仅可以通过控制通道结构和功能组的控制来消除水中的不必要物质，还可以通过控制水的渗透性材料来去除不必要的物质。在这项研究中，我们旨在基于两亲性液体晶体的分子设计和组装结构的控制来开发材料，并使用高分辨率软分辨率软分辨率的X型雷电分析位点，使用高分辨率的Sott X-RAY发射光谱辐射，对液晶纳米结构的水分处理中的水分子的氢键进行了结构分析。用羟基官能团捕获在纳米渠道中的水分子表现出接近大量水的氢键结构，并直接与DIOL的羟基相互作用。这种氢键结构与以阳离子官能团的自组装通道中的水分子相反，采用更多偏斜的氢键。这被认为是由于通道官能团在狭窄空间中捐赠和接受氢键的能力的差异所致。此外，正如我们设计和合成新的两亲性分子时，我们发现含有甲基甲基甲基蛋白和氧乙烯部分的两亲性分子表现出一种独特的重新进入的液晶相过渡，称为SMA-SMB-SMA。电子密度曲线和分子动力学模拟表明，这种重新进入现象是由刚性中源性部分的堆积和柔性氧乙烯部分的构象引起的，随着温度逐渐变化。此外，通过与锂盐结合使用，我们成功地开发了一种液晶离子导电材料，其电导率在多个阶段变化，具体取决于温度。

项目成果

Reentrant 2D Nanostructured Liquid Crystals by Competition between Molecular Packing and Conformation: Potential Design for Multistep Switching of Ionic Conductivity

• DOI: 10.1002/cphc.202200927
• 发表时间: 2023-01-23
• 期刊: CHEMPHYSCHEM
• 影响因子: 2.9
• 作者: Hamaguchi，Kazuma;Lu，Huanjun;Kato，Takashi
• 通讯作者: Kato，Takashi

シェフィールド大学(英国)

谢菲尔德大学（英国）

Liquid-Crystalline Gemini Amphiphiles for 2D Nanostructured Water Treatment Membranes

用于二维纳米结构水处理膜的液晶 Gemini 两亲物

• 发表时间: 2021
• 作者: Kazuma Hamaguchi;Rino Ichikawa;Satoshi Kajiyama;Shotaro Torii;Yusuke Hayashi;Jiro Kumaki;Hiroyuki Katayama;Takashi Kato
• 通讯作者: Takashi Kato

西安交通大学/蘇州科技大学(中国)

西安交通大学/苏州科技大学（中国）

Gemini Thermotropic Smectic Liquid Crystals for Two-Dimensional Nanostructured Water-Treatment Membranes

• DOI: 10.1021/acsami.0c20524
• 发表时间: 2021-04-09
• 期刊: ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
• 影响因子: 9.5
• 作者: Hamaguchi, Kazuma;Ichikawa, Rino;Kato, Takashi
• 通讯作者: Kato, Takashi