科学研究 - 只需一滴水即可形成100平米的三维纳米水膜

东京农工大学研究生院生命机能科学领域的特任副教授一川尚广领导的研究小组，与谢菲尔德大学的Xiang-bing Zeng博士领导的研究小组合作，通过利用独特的“分子设计”控制两亲分子的自组织，成功制作出了一种具有可以三维无限延展螺旋结构的高分子膜。

这种高分子膜浸水后，水分子会沿着螺旋界面结构被吸收，能形成厚度不到1nm，可以三维无限延展的水分子膜（三维水膜）。相当于一滴水可以形成面积为100m²的三维水膜。另外，在这种水膜中，氢离子（质子）通过水桶接力（Bucket Relay）效应（牛顿摆）传输，实现了非常快的质子传导特性（10^-1Scm^-1）。

本次研究获得的高分子膜有望作为燃料电池的电解质膜。而且，考虑到高分子电解质膜的需求在很多领域都不断增加，预计今后还能作为为各种研究带来创新的高分子膜使用。

相关研究成果已于2019年6月17日发布在英国皇家化学学会的《化学科学》网络版上，还将作为最新一期的封面使用。

＜研究背景＞

质子（氢离子）传导性高分子膜是一种重要构件，广泛应用于以燃料电池为首的各种产品中。要想在高分子膜的膜中实现高速质子传导，关键要在膜中形成水分子的“氢键网络”。因为存在水分子网络可以实现水桶接力式质子传输。可以将这种传动机制看成牛顿摆（图1）。在膜中，水分子从膜的正面到背面无缝排列对开发优质的质子传导膜至关重要。

图1：牛顿摆型质子传输示意图

目前，拥有磺酸基的含氟高分子作为质子传导性高分子膜得到了广泛应用，比如Nafion等。在Nafion膜中，高分子链随机排列，由此磺酸基也无序排列。这种膜吸水后，水分子开始从磺酸基周围有序排列。因此，为了利用水分子在无序排列的磺酸基之间搭桥，必须吸收更多的水分子。如果能以等间距从表面到背面连续排列膜中的磺酸基，则仅利用与磺酸基强力结合且不容易蒸发的水分子（键合水）就能确保连续性，有望设计出耐高温的质子传导性高分子膜。

作为高度控制高分子膜中的磺酸基排列的方法，本研究着眼于通过在高分子膜中形成具有三维连续周期性的螺旋结构，使水分子无缝排列，形成“三维牛顿摆”（图2）。

图2：牛顿摆示例

＜研究成果＞

螺旋结构是1960年代发现的单元结构，在设计轻量、高强度的材料时受到了关注。近年来，利用3D打印机就能轻松制作网格长度为数厘米的螺旋结构，但网格长度为“数纳米”的螺旋结构的设计“技术”及“应用”目前尚处于开发阶段。

迄今为止，研究小组已经全球率先开发出很多能自发形成螺旋结构的两亲分子。本研究通过进行各种改良，比如在这些两亲分子中导入聚合性官能团等，挑战了螺旋结构的聚合固定化。

虽然在分子设计和实际的合成及精炼中遇到了非常多的困难，但研究小组的成员之一、东京农工大学博士2年级的小林翼依然成功开发出了适合本次研究的目的的两亲分子（图3）。同时还利用新开发的两亲分子形成了螺旋结构，通过照射光使分子聚合，在保持螺旋结构的同时实现了高分子化，由此制作了自支撑的高分子膜（图3）。

图3：设计和合成的两亲分子的结构及采用两亲分子制作纳米结构高分子膜

研究小组对这种高分子膜进行结构解析发现，形成了亲水性磺酸基沿着螺旋界面结构排列的结构（图4中央的紫色）。另外，对该高分子膜浸水后的含水膜进行同步辐射X射线散射测量发现，紫色层中开始形成厚度不到1nm的蓝色层（图4右）。原因被认为是因为膜中吸收的水分子自发地向螺旋界面的磺酸基聚集并排列，由此形成了厚度虽然不足1nm，但无限延展的“三维水膜”。进行换算的话，用一滴水即可形成面积约为100m²的水膜。