インタビュー Vol.03
水の限りない可能性に挑戦

取材：2017年8月21日

高分子電解質ブラシが取り込む水の構造からブラシの機能を理解する

はじめに

近年、高分子電解質▼1を二次元に配列させた高分子電解質ブラシ(図1)は、その親水的性質によって水を取り込んで膨潤し、ブラシ表面に良好な潤滑性や自発的に油汚れを清浄にする防汚性などを付与する表面の改質法として注目されています。例えばまな板に応用できれば、洗剤を使わずに、または従来よりも少量でまな板をきれいな状態で保てるようになります▼2。この性質は水との高い親和性によるもので親水性と呼ばれ、水環境下では油がついていてもブラシは水を選択し、油は離れてしまうわけです。このような革新的な表面改質技術は環境問題への貢献も期待されます。
しかし親水高分子材料表面の濡れ性、防汚性などにおいては、水がその機能発現において重要と考えられていながら、どのような構造の水が役割を果たしており、それをどのようにしたら制御できるかということに関して十分な理解が得られていません。その意味においても、高分子電解質ブラシは水と高分子の相互作用を理解する基礎研究のプラットフォームとして注目されています。
そこで我々は、軟X 線吸収・ 発光分光▼3を用いて水の水素結合に関与する酸素の電子状態を直接観測することによって高分子電解質ブラシ中の水の構造を明らかにし、水の構造、それを作りだす材料側の因子およびブラシ表面の機能の相関を明らかにすべく研究を行っています。

図 1. 高分子電解質ブラシ中の水の水素結合構造と軟Ｘ線発光分光の概略図。
高分子電解質は、poly(2-(methacryloyloxy)ethyl trimethylammonium chloride) (PMTAC) である。

高分子電解質ブラシ中の水の電子状態を観測することに成功

高分子電解質ブラシ中の水の構造はブラシ表面の濡れ性などの特性と関係するため、構造を詳しく調べることは高分子電解質ブラシの機能発現メカニズムを知り、さらなる機能化を図る上で重要です。
最近、我々は SPring-8 BL07LSU の超高分解能軟X線発光分光ステーション▼4にて、軟 X 線吸収・発光分光分析技術を用いて高分子電解質ブラシ中の水由来の酸素 K 吸収端発光を抽出し、ブラシ中の水の水素結合構造を解明する手法を開発しました（図1）。軟Ｘ線を透過させる観測窓として用いる厚さ 150 nm の基板 (SiC) に、高分子電解質ブラシを固定化する重合技術を開発・導入することで、ブラシ中の水が、室温でも「歪んだ氷のような特異な水素結合構造」であるという知見を世界で初めて得ました▼5。
従来の高分子電解質ブラシ中の水の研究は、赤外吸収などの振動分光や計算に限られていました。軟 Ｘ 線吸収・発光分光は、水の水素結合に関与する酸素の価電子状態を観測するため、従来の振動分光よりも直接的に水素結合の影響を反映し、特に配位の対称性（正四面体配位など）に敏感である点が特色です。これにより高分子電解質の水和や溶液の粘性など、分子間の相互作用が重要な現象のメカニズムをミクロな視点から明らかにする研究への貢献が期待されます。

水の限りない可能性にかける想い

今後はナノ空間での水や溶液の構造解析をすることにより、水の水素結合形成を制御する技術を確立することも可能になるでしょう。身近な水という資源の活用方法を発展させコントロールできるようになれば、さらに水の応用展開が可能になります。水は安全で無限の可能性に満ちています。水の役割をさらに明らかにし、社会に役立つものや材料開発の基礎を支えたいと思っています。

参考

山添 康介
東京大学物性研究所
極限コヒーレント光科学研究センター
軌道放射物性研究施設（ISSP-SOR）
原田研究室
http://harada.issp.u-tokyo.ac.jp
H28年度次世代若手共同研究受入｜九州大学先導物質化学研究所 高原 淳 教授