光を当てるとホウセンカの実のように中身を飛ばす結晶

結晶が跳ねるように壊れるフォトサリエント現象

 光を当てるとそれに応えて色が変わるフォトクロミック反応を起こす結晶が知られています。

 この結晶をはじめとしていくつかの無機物・有機物の化合物には、色が変わるだけでなく光によって結晶内の分子構造に変化が起こって、結晶が跳ねるように壊れてしまう現象を示すものもあります。この現象をフォトサリエント現象といいます。結晶構造のサイズが、部分的に異なる大きさに変形することで破壊が起こります。まるでホウセンカの実がはぜて、中の種を吹き飛ばすような感じで内包物を吹き飛ばすのです。

 龍谷大学先端理工学部の内田欣吾
きんご
教授
の研究グループは、光を照射することで結晶が壊れる現象を利用すれば、結晶でつくったカプセル内に収納した化学物質等を光で放出する光応答カプセルができるのではないかと考えました。

内部に物質を格納できる結晶カプセルができた!

 研究グループは、ジアリールエテンという化合物に注目しました。ジアリールエテンは化学結合の
が開いた状態のときに紫外光を当てると環が閉じるという性質があります。また、閉じたところに可視光を当てると、元の開いた環に戻ります。

 研究グループは、ジアリールエテンを生成するときに、結晶の一方の端が開いた三角コーンのような形で、内部が空になっている結晶が成長する場合があることを発見しました。結晶のサイズは、長さ500・幅50・厚さ5マイクロメートル(マイクロは100万分の1を表す)という小さなものでしたが、ここに毛細管現象を利用して直径1マイクロメートルの蛍光ビーズを入れて紫外線を照射すると、結晶が壊れて蛍光ビーズが吹き飛ぶ様子が観察されました。

 ただ、この方法で生成された結晶は一方の側が開いているため、中に何かを安定して内包させることができませんでした。今回、研究グループは、これまでと異なる構造のジアリールエテン有機体を作成し、内部に物質を格納できる結晶カプセルを作成する方法を確立しました。これに紫外光を照射すると、内部に封入した緑の蛍光色素が放出されました。

365ナノメートルの紫外光を当てると、0.5秒で結晶カプセルが破壊され、内包物を放出する。下でその様子を撮影した動画が見られる。(提供:龍谷大学先端理工学部応用化学課程・教授 内田欣吾)

 この結晶カプセルを標的薬などとして生体内で使うためには、波長の短い紫外光ではなく、体内の奥深くに浸透する近赤外光によっても結晶カプセルの破壊を起こす必要があります。研究グループは実験の結果、波長802ナノメートル(ナノは10億分の1)の近赤外光でも結晶が壊れることを確認しました。

 しかもおもしろいのは、光の偏光
へんこう
方向(振動の方向)を変えることで、結晶の反応性を制御できる
ことです。

 この結晶は分子が光を吸収する方向と結晶の長軸方向が直交しているため、偏光面を変えながら光を照射することで、破壊するかどうかをコントロールできます。結晶の方向を45度ずつ回転させて重ねた結晶を作成して実験してみたところ、偏光の方向に合わせて、特定の結晶のみを破壊できたそうです。

 内部が閉空間のカプセル化した内包物に、光を当てることで放出できるという機能は、体内の必要な部位に対する治療薬の投入リモートで香りの情報を伝達するなど、さまざまな応用が考えられます。

【論文情報】
英文タイトル:Molecular crystalline capsules that release their contents by light
タイトル和訳:光照射で内包物を放出する分子結晶カプセル
掲載誌:Chemical Science
URL: https://doi.org/10.1039/D1SC03394H
論文著者:永井 聖、西村 涼、服部陽平、波多野絵里、藤本朱子、森本正和、安田伸広、鎌田賢司、五月女 光、宮坂 博、横島 智、中村振一郎、 内田欣吾

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サイエンスライター。1953年、富山県生まれ。成蹊大学文学部卒。出版社の編集者を経て、科学技術分野の執筆活動を行なっている。自然科学から工学まで幅広い分野が対象で、航空分野にはとくに造詣が深い。

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