近年来，仅由分子量小的低分子化合物构成的“超分子材料”，作为分解性和可回收性优异的下一代材料而备受关注。然而，迄今为止的超分子材料大多是非晶质（无定形）物质，难以像高分子材料那样利用晶体结构和分子取向来控制材料特性。
此次，京都大学研究生院工学研究科的郑家昕博士生、渡边雄一郎助教、杉安和宪教授等组成的研究团队，与东京科学大学研究基础设施管理机构的梶谷孝高级技术专员、国立研究开发法人物质与材料研究机构的佐光贞树主干研究员共同合作，开发出了由胆固醇来源低分子化合物构成的结晶性超分子材料。此外，通过利用液晶状态的成形加工，实现了厘米级的分子取向，成功赋予其力学特性各向异性。该成果为仅由低分子构成的超分子材料提出了新的设计准则，使其能够通过加工控制高次结构和物性，有望为可持续下一代材料的开发做出贡献。相关成果已发表在《Nature Communications》上。
图1 此次开发的结晶性超分子材料（供图：京都大学）
研究团队以天然存在的胆固醇为原料，合成了具有液晶特性的化合物Chol-C12。研究发现，将Chol-C12从熔融状态冷却后会形成亚稳态液晶相，随后大约耗时10分钟完成结晶。现已探明，该晶体结构依靠氨基甲酸酯部位之间形成的氢键实现稳定。
亚稳态液晶态在室温下具备良好流动性，可进行压缩成型与挤出成型。研究发现，若将材料保持在液晶态并于室温静置一段时间，待结晶过程发展至一定程度后再实施成型加工，生成的晶核会在成型过程中发生流动取向。随后材料在维持该取向的前提下整体结晶，便可得到自支撑片状材料。所得片材的弹性模量（杨氏模量）达到270兆帕，作为仅由低分子构成的超分子材料展现出优异的力学特性。同时研究证实，材料会依托分子取向呈现各向异性力学特性。另一方面，在晶核形成前进行成型加工时，未确认到这种取向结构和各向异性力学特性。由此表明，即使在超分子材料中，晶体结构和高次结构的控制也会影响材料特性。
本次研究表明，将高分子材料制备领域一直沿用的成型加工工艺应用于超分子材料，有望开发出全新材料。该成果有望助力研发具备优异可降解性与可回收性的下一代超分子材料。
郑家昕博士生表示：“最初从杉安老师那里听到‘控制分子性晶体的高阶层次结构’这一研究计划时，我完全不知道该如何实现。我与杉安老师、渡边老师反复讨论，并与佐光老师商量，探讨了各种分子结构和加工方法。在此过程中，我注意到骤冷后静置4分钟再压制的Chol-C12自支撑膜，与不静置直接压制的膜不同，会像竹子纵向裂开那样沿特定方向断裂。在梶谷老师的协助下进行X射线衍射测定后，证实膜内部实现了宏观分子取向。仅加工条件的微小差异就产生了意想不到的结果，这令我十分振奋，而逐一解开其原因的过程让我感受到研究的魅力。今后，我希望将本研究提出的工艺技术展开到多种分子体系，致力于超分子材料的高次结构控制和物性提升。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：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
