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水に溶けるシリカ系材料の合成に成功
̶ナノメートルオーダーのロッド状シリカ系材料の合成̶
平成 16 年 7 月 20 日 独立行政法人物質・材料研究機構 1. 概要 独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸輝雄）物質研究所（所長：渡辺遵）光学単結晶 グループ（ディレクター：北村健二）の金子芳郎外来研究員（科学技術振興機構 重点研究支援 協力員）と井伊伸夫主席研究員らは、反応中イオン性の置換基へ変換するアルコキシシラン原料 の重合（ゾル-ゲル法１））によって、水に溶けるシリカ系材料2)の合成に成功した。この材料は、 表面にイオン性の置換基を有する直径約 1 ナノメートルのロッド状構造である。そのため、水と の親和性が良く、水分子は十分にロッド状シリカ同士の間に入り込むことができ、その結果水溶 性を示した。本材料は、その水溶性、イオン性、水溶液の透明性や増粘性を利用することで、無 機-有機ハイブリッド材料のための基材、化粧品やインクなどの増粘剤としての応用が期待でき る。 なお、この研究成果は現在アメリカ化学会誌「ケミストリー・オブ・マテリアルズ」に掲載決 定受理済みであり、近日公開される予定である。 2. 研究の背景 ガラスやシリカゲルなど、ケイ素 (Si)原子と酸素(O)原子から構成された骨格をもつ物質は、 通常、水に溶解することはない。これは、Si 原子と O 原子の化学結合（シロキサン結合）から なる構成単位が３次元的に巨大であるためである。 シロキサン結合を骨格に持つこれら物質は、無毒であり透明性にも優れているため、食品等の 乾燥剤（シリカゲル）や容器（ガラス）等、広く一般に利用されている。一方で、これらの性質 より、様々な機能を持つ有機化合物とのハイブリッド化が近年強く望まれている。しかしながら、 上記のように水をはじめとする各種溶媒に溶解しないため、これらを結びつけるための化学反応 は溶液中で行うことができず、その結果不均一な材料になりやすい。水に溶解するシリカ系材料 は、この問題を解決することができる。 3. 今回の研究成果 今回、我々は水に溶けるシリカ系材料の合成に成功した。 シリカ系材料を合成するための手法の１つにゾル-ゲル法１）がある。これは、原料となるアル コキシシラン分子 2）に水と触媒を加えることで、これら分子同士が次々と化学結合し、巨大分 子（シリカ）へと成長する合成手法である。通常、この合成はナノメートル 4）レベルで無秩序 に反応が成長するため、Si と O の結合が三次元方向に広がったネットワーク構造の巨大分子（高 分子）が得られる。 今回、我々はアルコキシシラン分子に反応中アンモニウムイオンとなる置換基がついた原料 （図１）を用いてゾル-ゲル反応を行った。その結果、Si と O の化学結合からなるネットワーク 構造は一次元方向にのみ成長し、その結果ロッド状のシリカ系高分子が得られた（図１）。これ はイオン性の置換基の働きによって、原料が反応溶媒（水）中でロッドの形に組織化され、この 状態で反応が進行したためだと推察される。このロッドの直径は約 1 ナノメートルであるため （図２）、水分子は十分にロッド状シリカ同士の間に入り込むことができ、またこのロッドの表 面はイオン性の置換基で覆われているため水との親和性も良い。その結果この材料は水溶性を示 した。また、この水溶液を乾燥することで、再び元の固体状態シリカ系材料に戻った。 4. 社会への波及効果と今後の展開 研究の背景でも述べたように、無機物と有機物からなるハイブリッド材料は、それぞれの長所 （無機物の熱的・化学的安定性、有機物の機能性など）を生かすことができ、注目されている分 野である。しかし、シリカなどの無機物は水などの溶媒に溶けないため、均一なハイブリッド材 料を合成するためには、原料の段階で無機成分と有機成分を混ぜ合わせて、その後に巨大分子へ の反応を行う必要があった。今回開発したシリカ系材料は溶媒（水）に溶け、表面は陽イオンで2
覆われているため、陰イオン性有機物（高分子も含む）との反応は迅速かつ均一に行うことがで きる。その結果、多種多様な無機-有機ハイブリッド材料を合成することが可能になると期待さ れる。 今回の成果は、シリカ系材料の水溶化という一面だけにとどまらず、ナノメートルレベルで、 ロッド状シリカ系高分子を規則的に配列させた点も注目すべきである。例えば、このようなナノ レベルで規則的に配列したロッド状シリカ系高分子を基板に用い、これに沿って、蛍光発光する ような有機分子を導入することができれば、その方向と同じ偏光励起光 5）を照射したときだけ 蛍光発光を示し、それ以外の方向の偏光では発光しない、すなわちナノメートルレベルでの ON/OFF スイッチングへと導く可能性がある。 さらに、このシリカ系材料は水に溶けると、無色透明な粘性をもつ溶液になる（図３）。今後、 化粧品やインクなどの増粘剤としての利用も期待される。 用語説明 １） ゾル-ゲル法：金属の有機および無機化合物の溶液から出発し、溶液中での化合物の加水分 解・重合によって、溶液をゾルとし、さらに反応を進ませてゲル化し、金属酸化物を合成 する手法。できた多孔質のゲルを加熱して非晶質、ガラス、多結晶体をつくることができ る。 ２） シリカ系材料：シリカとは二酸化ケイ素(SiO2)の別称であり、シロキサン結合(Si と O の結 合)からなるネットワーク構造をもつ。本材料は、純粋な SiO2ではないが、シロキサン結 合からなるネットワーク構造であるため「シリカ系材料」と呼ぶ。 ３） アルコキシシラン分子：Si 原子に４つのアルコキシ基（OR; R はメチル、エチル基など） がついた化合物。水の存在下、酸あるいはアルカリ触媒によって反応は進行する。ガラス やシリカゲルを合成するための原料。 ４） ナノメートル：１ナノメートル(1 nm))＝10 億分の 1 メートル(10-9 m) ５） 偏光励起光：偏光と励起光に分けて以下に説明。 偏光：太陽や電球などの光の振動方向は任意の方向に一様に分布していて、時間に対して 不規則な振動をしている。このような光を｢自然光｣と言う。一方、振動方向の分布が不均 一で、ある特定方向に振動する光の強度が他の方向に振動する光の強度よりも強いものを ｢偏光｣と言う。 励起光：原子、分子、イオンなどの原子核、電子、振動、回転などの状態を、エネルギー の低い状態から高い状態へ遷移させるのに必要とされる光エネルギー。 問い合わせ先 〒305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1 独立行政法人 物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 FAX:029-859-2017 （研究内容に関すること） 独立行政法人 物質・材料研究機構 物質研究所 光学単結晶グループ 外来研究員 金子 芳郎（かねこ よしろう）TEL:029-851-3354 (ext.8571) E-mail:[email protected] 物質研究所 光学単結晶グループ
主席研究員 井伊 伸夫（いい のぶお）
