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，人们利用兼具流动性和有序性的液晶，对具有规则纳米通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。通过控制通道结构和官能团，液晶纳米结构分离膜不仅有可能应用于去除水中不需要的物质，而且有可能应用于高性能选择性物质渗透材料。在这项研究中，我们的目标是基于两亲性液晶的分子设计和组装结构控制来开发具有质量传输和分离功能的材料，并使用同步辐射的高分辨率软X射线发射光谱进行氢键的结构分析。限制在具有羟基官能团的纳米通道中的水分子表现出与本体水相似的氢键结构，并直接与二醇的羟基相互作用。这种氢键结构与限制在包含阳离子官能团的自组装通道中的水分子的更扭曲的氢键形成对比。这被认为是由于通道官能团在狭窄空间内给予和接受氢键的能力差异所致。此外，在设计和合成新型两亲性分子时，我们发现含有脂环族介晶和氧乙烯部分的两亲性分子表现出独特的SmA-SmB-SmA的重入液晶相变。电子密度分布和分子动力学模拟表明，这种重入现象是由温度引起的刚性介晶部分的堆积和柔性氧乙烯部分的构象的逐步变化引起的。他们还成功开发了一种液晶离子传导材料，通过与锂盐组合，其电导率根据温度发生多级变化。

项目成果

西安交通大学(中国)

西安交通大学（中国）

西安交通大学(中国)

西安交通大学（中国）

Self-Organized 2D Nanostructured Virus Filtration Membranes Based on Smectic Liquid Crystals

基于近晶液晶的自组织二维纳米结构病毒过滤膜

• 发表时间: 2021
• 作者: Kazuma Hamaguchi; Daniel Kuo; Liu Miaomiao; Shotaro Torii; Rino Ichikawa; Satoshi Kajiyama; Takeshi Sakamoto; Hiroyuki Katayama; Takashi Kato
• 通讯作者: Takashi Kato

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

通过分子堆积和构象之间的竞争实现可重入二维纳米结构液晶：离子电导率多步切换的潜在设计

• DOI: 10.1002/cphc.202200927
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 2.9
• 作者: Hamaguchi Kazuma;Lu Huanjun;Okamura Shota;Kajiyama Satoshi;Uchida Junya;Sato Shunsuke;Watanabe Go;Ishii Yoshiki;Washizu Hitoshi;Ungar Goran;Kato Takashi
• 通讯作者: Kato Takashi

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