近年來，僅由分子量小的低分子化合物構成的「超分子材料」，作為分解性和可回收性優異的下一代材料而備受關注。然而，迄今為止的超分子材料大多是非晶質（無定形）物質，難以像聚合物材料那樣利用晶體結構和分子取向來控制材料特性。
此次，京都大學研究生院工學研究科的鄭家昕博士生、渡邊雄一郎助教、杉安和憲教授等組成的研究團隊，與東京科學大學研究基礎設施管理機構的梶谷孝高級技術專員、國立研究開發法人物質與材料研究機構的佐光貞樹主幹研究員共同合作，開發出了由膽固醇來源低分子化合物構成的結晶性超分子材料。此外，透過利用液晶狀態的成形加工，實現了公分級的分子取向，成功賦予其力學特性各向異性。該成果為僅由低分子構成的超分子材料提出了新的設計準則，使其能夠透過加工控制高次結構和物性，有望為永續下一代材料的開發做出貢獻。相關成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 此次開發的結晶性超分子材料（圖片提供：京都大學）
研究團隊以天然存在的膽固醇為原料，合成了具有液晶特性的化合物Chol-C12。研究發現，將Chol-C12從熔融狀態冷卻後會形成亞穩態液晶相，隨後大約耗時10分鐘完成結晶。現已探明，該晶體結構依靠氨基甲酸酯部位之間形成的氫鍵實現穩定。
亞穩態液晶態在室溫下具備良好流動性，可進行壓縮成型與擠壓成型。研究發現，若將材料保持在液晶態並於室溫静置一段時間，待結晶過程發展至一定程度後再實施成型加工，生成的晶核會在成型過程中發生流動取向。隨後材料在維持該取向的前提下整體結晶，便可得到自支撐片狀材料。所得片材的彈性模數（楊氏模數）達到270兆帕，作為僅由低分子構成的超分子材料展現出優異的力學特性。同時研究證實，材料會依託分子取向呈現各向異性力學特性。另一方面，在晶核形成前進行成型加工時，未確認到這種取向結構和各向異性力學特性。由此表明，即使在超分子材料中，晶體結構和高次結構的控制也會影響材料特性。
本次研究表明，將聚合物材料製備領域一直沿用的成型加工工藝應用於超分子材料，有望開發出全新材料。該成果有望助力研發具備優異可降解性與可回收性的下一代超分子材料。
鄭家昕博士生表示：「最初從杉安老師那裡聽到‘控制分子性晶體的高階層次結構’這一研究計畫時，我完全不知道該如何實現。我與杉安老師、渡邊老師反覆討論，並與佐光老師商量，探討了各種分子結構和加工方法。在此過程中，我注意到驟冷後静置4分鐘再壓制的Chol-C12自支撐膜，與不静置直接壓制的膜不同，會像竹子縱向裂開那樣沿特定方向斷裂。在梶谷老師的協助下進行X射線繞射測定後，證實膜內部實現了宏觀分子取向。僅加工條件的微小差異就產生了意想不到的結果，這令我十分振奮，而逐一解開其原因的過程讓我感受到研究的魅力。今後，我希望將本研究提出的製程技術展開到多種分子體系，致力於超分子材料的高次結構控制和物性提升。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Macroscopically anisotropic supramolecular materials prepared from an undercooled liquidcrystalline phase of a cholesterol-based low-molecular-weight compound
DOI：10.1038/s41467-026-77392-5
