日本千葉大學國際高等研究基幹的矢貝史樹教授、玉木健太博士生（研究當時，現名古屋大學助教）等，與東京科學大學理學院的河野正規教授、大學共同利用機關法人自然科學研究機構生命創成探究中心，以及法國巴黎-薩克雷大學、理化學研究所、名古屋大學共同宣佈，發現向由光響應導致形態與顏色發生變化的「光致變色分子」自組裝形成的片狀結構「二維奈米片」照射不同強度的光時，可轉變為一維奈米纖維（細繩狀）或三維奈米晶（堆疊的厚塊）等形態完全不同的結構。研究團隊還通過高速原子力顯微鏡（AFM）即時觀察結構變化的過程，成功闡明瞭相關機制。該研究成果有望推動下一代功能性材料的開發。相關研究結果已發表在期刊《Chem》的11月18日刊上。
（供圖：千葉大學）
生物分子通過與週遭環境的相輔作用，在脫離熱力學穩定的「平衡狀態」的「非平衡狀態」下發揮作用。近年來，將此類機制引入人工分子功能性材料的研究正日益活躍。
光致變色分子是一種在發光能量作用下可改變形狀與顏色的分子，目前已有大量研究報導顯示，將其嵌入構成分子可以實現平衡與非平衡兩種狀態的切換。然而，此前一直沒有通過光的強度來引發不同響應的研究。
此次，研究團隊通過結合光致變色分子的結構變化（光異構化）與分子集合體的結構多樣性（超分子多態性），成功利用不同照射光強度，製備出三種具有不同向度的集合結構。
研究團隊此次設計併合成了嵌入一種響應紫外光發生彎曲的「偶氮基苯類」光致變色分子的自組裝分子1。
此前，矢貝教授團隊已開發出可呈現豐富超分子多態性的自組裝分子。
將自組裝分子1溶於有機溶劑後，會形成能量上最穩定的二維奈米片。向該奈米片照射強紫外光時，會轉變為一維奈米纖維。而照射弱紫外光時，奈米片的分解與生長相互製衡，最終轉變為三維奈米晶。
為闡明這一機制，研究團隊利用高速AFM進行觀察，並成功捕捉到二維奈米片從特定邊緣開始選擇性向一維奈米纖維轉變的過程。高速AFM能夠以奈米級空間解析度和亞秒級時間解析度觀察溶液中動態變化的物質。
此外，研究團隊還成功解析了自組裝分子1的單晶結構，揭示了偶氮基苯部位暴露的光異構化影響強烈的邊緣，會率先發生分子結構變化的機制。
此另，在弱紫外光照射下，既能觀察到從二維奈米片轉變為三維奈米晶的過程，也能觀察到奈米片消失的現象，由此確認這一變化是通過名為光誘導奧斯瓦爾德熟化的經典晶體成長機制實現的。
該研究首次證實，通過調節光的強度可創造出多種新的非平衡狀態。
該發現有望推動未來開發利用光實現多種有機材料向度控制的新技術。
矢貝教授表示：「光如同光合作用中所見，是驅動生命活動所需化學反應的能量源，而此次研究中，我們將發光能量用於‘分子集合狀態本身’的控制。這是首次證實人工分子材料的形態可根據光的強度轉變為不同狀態，有望成為未來智慧型材料開發的重要一步。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Chem (Cell Press)
論文：Light-intensity-dependent out-of-equilibrium processes toward dimensionally distinct nanopolymorphs
DOI：10.1016/j.chempr.2025.102818
