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过饱和1分子観察のイメージ図
イオンネットワークを计测するために适応した齿线1分子追跡法の通常溶液状态と过饱和溶液状态のモデル図。
© 2015 Yuji Sasaki.

東京大学大学院新领域创成科学研究科の佐々木裕次教授らのグループと大阪大学蛋白質研究所の後藤祐児教授らの研究グループは、結晶化直前の過飽和溶液中に激しく運動するイオンネットワークとフェムトニュートンの極微弱な力场が存在することを、齿线1分子追跡法を用いることにより明らかにしました。本成果は、過冷却やタンパク質の凝集に関する理解を深めるだけではなく、過飽和溶液中の現象を制御する方法の開発につながると期待されます。

水から氷が析出する现象や、生体内に胆石ができる现象等、液体から固体が现れる析出现象は、食品や医薬、工业製品などの幅広い製品の生产において利用されています。また医疗现场においても、タンパク质分子の异常凝集が疾病原因と言われる难病が存在するなど、様々な研究?开発领域に関係する、どこででも起こっている物理化学现象と言えます。この析出过程は、溶解度よりも多くの溶质を含んだ过饱和状态から、结晶核形成によって开始されると理论的に予测されていました。しかし、イオンなどの溶质の微小运动を高精度に、かつ高速に测定できる计测方法がなかったため、これまでその现场を観察した研究はなされていませんでした。

研究グループは過飽和溶液中のイオンの動きを観察することに世界で初めて成功し、結晶核が生成する直前及び瞬間において、従来の予想に反して、イオンが激しく運動をしていることを明らかにしました。また、この激しい運動を大型放射光施設 SPring-8の高輝度白色X線を利用して、超高感度計測法齿线1分子追跡法 (Diffracted X-ray Tracking: DXT) により詳しく分析したところ、フェムトニュートン(femto-Newton)という非常に微小な力场が存在していることも確認しました。

「この极めて动的な溶液现象こそ、结晶化せずに溶液状态を保持する重要な物理因子であり、结晶核形成のトリガーであると考えられます」と佐々木教授は话します。「今回の成果は、过饱和溶液状态の根本的メカニズム解明のみならず、过饱和状态の制御や、过饱和现象を利用した新しい材料开発に贡献する可能性があります」と続けます。

なお、本研究は東京大学大学院新领域创成科学研究科博士課程学生の松下祐福、公益財団法人 高輝度光科学研究センターの関口博史博士、同太田昇博士、高エネルギー加速器研究機構の一柳光平博士、東京大学大学院新领域创成科学研究科の池崎圭吾博士との共同で行われたものです。

论文情报

Y. Matsushita, H. Sekiguchi, K. Ichiyanagi, N. Ohta, K. Ikezaki, Y. Goto, Y. C. Sasaki, "Time-resolved X-ray Tracking of Expansion and Compression ", Scientific Reports Online Edition: 2015/12/14 (Japan time), doi:10.1038/srep17647.
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