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メインコンテンツにスキップ グローバルメニューにスキップ | フッターにスキップ メニューボタン 対象者別 ">入学希望の方">卒業生の方">地域・一般の方">企業・メディアの方">在学生">教職員 探す アクセス Language JP EN TOPニュース・イベント【研究発表】二分子膜系ミセル層の形成メカニズムを解明 〜トポロジカル界面形成の制御と応用に期待〜https://www.tmu.ac.jp/news/topics/34810.html 2022.06.30 【研究発表】二分子膜系ミセル層の形成メカニズムを解明 〜トポロジカル界面形成の制御と応用に期待〜 報道発表 １.概要 　界面活性剤（注１）を水に分散させると、界面活性剤の疎水基同士が結合し、自己会合体（注２）を形成します。球状になったものを「ミセル」（注３）、膜状になったものを「二分子膜」とよびます。二分子膜を隔てた両側では、幾何学的に分離されており、膜を隔てた水の交換は欠陥や孔を通してのみ行われます。どちらの側も同等で対称性があると考えられますが、先行研究では、この対称性が破れて、片側の水が多くなることが示唆されています。この現象は、タンパク質の交換などと関係しているため、生物学的にも興味深いですが、この対称性の破れの存在は明確になっていません。 　東京都立大学大学院理学研究科物理学専攻の栗田玲教授、金澤拓未氏（研究当時：大学院生）、寺田行宏氏（研究当時：大学院生）、谷茉莉助教らの研究グループは、二分子膜の相転移現象を詳細に観察しました。実験では、ミセル相が連結した構造や、自己相似性（注４）の破れなど、特異的な相転移挙動が見られました。さらに、現象論的方程式によるシミュレーションも行い、実験結果を定量的に再現することに成功し、相転移のダイナミクスを明らかにしました。このシミュレーションから、片側の水が多くなるという対称性の破れは今回の系では起きていないことが示されました。今回、現象論的方程式で記述できたことから、鏡像異性体が混ざった系におけるトポロジカル界面（注５）の形成への応用といった波及効果が見込まれ、今後の発展が期待されます。 ■本研究成果は、６月29日付けでAmerican Physics Societyが発行する英文誌Physical Review Researchに発表されました。本研究の一部は、学術振興会科学研究費補助金（基盤B No.20H01874）の支援を受けて行われました。 ２.ポイント 二分子膜を隔てた水分量の変化が起こる対称性の破れが存在するかどうかは重要な課題でした。 二分子膜における相転移が、通常の相転移と異なり特異的な転移挙動を示すことを発見しました。 現象論的方程式によるシミュレーションで実験結果の再現に成功し、メカニズムを解明しました。 シミュレーションから、この二分子膜系では対称性の破れは起きていないことを明らかにしました。 シミュレーションは、鏡像異性体系などの界面形成の制御といった波及効果が期待されます。 ３.研究の背景 　親水基と疎水基をもつ界面活性剤分子を水に分散させると、界面活性剤分子の疎水基同士が結合し、ミセルや二分子膜とよばれる膜状の自己会合体を形成します。二分子膜が形成された時、幾何学的に水は二分子膜を隔てた両側（InsideとOutside）に分離されます。二分子膜は対称であるため、InsideとOutsideも同等であると考えられます。界面活性剤にコロイドを加えた先行研究では、この対象性が破れ、水が片側に多く集まるInsideとOutsideの対象性が破れる相転移が示唆する結果が報告されています。しかしながら、界面活性剤だけで対称性の破れが起きているのか、それともコロイドの影響による対称性の破れなのかは明確になっていませんでした。膜を隔てた水の輸送は、欠陥や孔を通してのみ行われ、タンパク質の交換などと関係しています。そのため、水が片側に多く集まるInsideとOutsideの対称性の破れが起こる条件やメカニズムを明らかにすることは、生物学的にも重要な課題となっています。 ４.研究の詳細 ・相転移ダイナミクスの実験観察 　本研究グループは、C10E3という界面活性剤を用いて、二分子膜が３次元的につながったスポンジ相がミセル相に相転移する様子を観察しました。 図１は相転移する温度（転移温度）近傍（温度差１度）のときの相転移の様子を示しています。スポンジ相の中からミセル相が核形成して現れています。この時、InsideとOutsideが連結して現れるという特徴的な様子が観察されました。InsideとOutsideは同等ですが、二分子膜で隔たれているため、合体することはありません。 　一方、転移温度から離れた、温度差が５度の時の相転移挙動を示したものが図２です。先程と同様にスポンジ相の中からミセル相が核形成して現れています。時間が経つにつれミセル相が拡大し、ミセル相がネットワークを形成することがわかりました。すなわち、多数相はミセル相であることがわかりました。 　通常の相転移では、少数相が核形成し、その形状を保ったまま成長します。そのため、時間が経過しても、大きさは変わるもののパターンは変化しないという自己相似性という性質があります。今回の温度差が５度の相転移挙動では、多数相が核形成し、ドロップレットからネットワークに変化するという自己相似性の破れがあることがわかりました。これらの相転移挙動は、通常の相転移と大きく異なることがわかりました。 図1　転移点近くの相転移挙動（温度差１度）。(a) 40秒後、(b) 155秒後の顕微鏡画像。白線は100 μmに相当。スポンジ相の中にミセル相が核形成する。このとき、InsideとOutsideが連結して、現れる。 図２　転移点近くの相転移挙動（温度差５度）。(a) 9.5秒後、(b) 12.5秒後、(c) 48.5秒後、(d)13600秒後の顕微鏡画像。白線は100 μmに相当。スポンジ相の中にミセル相が核形成し、成長する。最終的にミセル相が連結して、ネットワークを形成している。   ・数値シミュレーション 　この特異的な相転移ダイナミクスをあきらかにするため、本研究グループは濃度（φ）の他にInsideとOutsideを表す変数（Γ）を導入した現象論的方程式を導き、その式を用いて数値シミュレーションを行いました。この現象論的方程式では、φとΓの相関長（注６）の比と温度が主な制御変数（注７）となります。 　図３は数値シミュレーションの結果を示しています。(a)は温度が転移点近傍で、相関長の比が１のときの時間発展の様子です。白と黒はInsideとOutsideに対応します。実験結果と異なり、それぞれが独立したドロップレットになることがわかりました。(b)は温度が転移点近傍で、相関長の比が５のときの時間発展の様子です。実験結果のように、白と黒が連結して現れる様子が観察されました。(c)は温度が転移点から遠く、相関長の比が５のときの時間発展の様子です。初期では白と黒の連結したドロップレットが現れますが、後期では、白と黒がネットワーク上になっています。すなわち、自己相似性が破れており、図２の実験結果と一致しています。相関長の比が５のとき、非常によく実験結果を再現していることがわかりました。 図３　現象論的方程式によるシミュレーション結果。(a)転移点近傍で、相関長の比が１のとき。(b)転移点近傍で、相関長の比が５のとき。(c)転移点から離れた条件で、相関長の比が５のとき。 (b)と(c)は実験をよく再現している。    ・対称性の破れの有無 　上記で示したシミュレーション結果は、InsideとOutsideの平均値が０、すなわち、対称性があるときの条件でした。ここで、Γの平均値を0.2としたとき、対称性が崩れた条件となります。この場合、ドロップレットが連結せず、独立したものになることがわかりました。これは実験の観察結果と一致していません。そのため、実験の系は対称性の破れが起きていないことがわかりました。 ５.研究の意義と波及効果 　今回の研究では、二分子膜系におけるInside-Outsideの対称性の破れの有無について、詳細に調べることができました。さらに、エネルギー的に等価なInsideとOutsideという２つの状態への相分離を記述する現象論的方程式で記述することができました。このようなエネルギー的に等価な２状態は二分子膜に限った話ではありません。例えば、右巻きと左巻きのように鏡像異性体が混ざった系においても、同様な式で記述できると予想されます。さらに、液晶系や高分子結晶、カイラル結晶など多くの系での応用が可能であると考えます。このような右巻きと左巻きの界面は、トポロジカル界面の一種であり、興味深い物理現象が期待されています。相関長の比を大きくすることでトポロジカル界面の作成が可能になる可能性があり、将来、様々な応用が期待されます。   【用語解説】 （注１）　界面活性剤：分子内に親水基と疎水基をあわせ持つ分子のこと。水と油の間に入り、界面張力を低下させる。（注２）　自己会合体：自発的に集合し、形成された構造のこと。（注３）　ミセル、スポンジ：自己会合体の一種で、球状に集まったものがミセル、膜状になったものが二分子膜とよばれる。二分子膜が３次元的につながったものがスポンジとよばれる。（注４）    自己相似性：相分離のパターンが、初期から後期まで大きさは変わるもののパターンの形状は保ったままになること。（注５）    トポロジカル界面：幾何学的に異なる状態（トポロジー）が連結したとき、その間の界面のこと。右巻きと左巻きの間の界面もトポロジカル界面の一種となる。（注６）    相関長：空間的に相互作用が影響する距離のこと。（注７）    制御変数：温度や圧力など外から入力する変数のこと。 【発表論文】 ＜タイトル＞“Dynamics and mechanism of a deswelling transition of the sponge phase in a bilayer membrane system” ＜著者名＞Rei Kurita, Takumi Kanazawa, Yukihiro Terada, and Marie Tani ＜雑誌名＞Physical Review Research (2022) ＜DOI＞https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.023254   7.問合せ先 ＜研究に関すること＞東京都立大学大学院 理学研究科 教授 栗田 玲TEL: 042-677-2505　E-mail: &＃x6b;u&＃x72;ita@&＃x74;m&＃x75;&＃x2e;&＃97;&＃99;.&＃x6a;&＃x70;   ＜大学・機関に関すること＞東京都公立大学法人東京都立大学管理部 企画広報課 広報係TEL: 042-677-1806　E-mail: &＃105;n&＃x66;&＃x6f;&＃x40;&＃x6a;mj.&＃116;&＃109;&＃117;&＃x2e;&＃x61;c&＃46;&＃x6a;&＃x70;   報道発表資料(1.1MB) ーーーーーーー 理学研究科 物理学専攻 栗田 玲 教授  元のページに戻る 最新のニュース 2024.05.29 お知らせ 【重要】2024年度前期　一般学生　授業料減免申請 追加申請受付について 2024.05.24 お知らせ 【研究発表】一度の激しい運動がその後の身体活動量と体温を下げ体重を増やしてしまう 2024.05.17 お知らせ 【研究発表】溶液と固体の状態で円偏光を発光するキラルな亜鉛錯体の開発に成功－溶液と個体とで円偏光の回転方向が反転　新たな発光デバイスへの応用に期待－ 2024.05.16 お知らせ 【研究発表】過去77年間の小笠原諸島の植生変化を解明 －過去の人為的攪乱の履歴が、生態系の復元可能性に影響－ 2024.05.13 お知らせ 【研究発表】電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見－スピントロニクス材料としての応用に期待－ Page top 大学について学部・大学院教育の特長研究・産学公連携国際展開・留学学生生活・キャリア入試案内キャンパス・施設案内ニュース・イベントHOT TOPICS教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生教職員 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 ©2024 Tokyo Metropolitan Public University Corporation Follow Us都立大X都立大Channel Open/Close大学についてOpen/Close大学の目的・使命学長メッセージ学長メッセージ ＜メディア＞TMU Vision 2030Open/Close大学概要沿革組織図センター・機構学生数教職員数学則・規則施設概要設置認可申請書等東京都立大学の評価活動について数字で見る東京都立大学動画で見る東京都立大学シンボルマーク大学の校歌Open/Close教育情報の公表大学の教育研究上の目的・３ポリシー教育の3つのポリシー（学部）教育の3つのポリシー（大学院）教育研究上の基本組織アセスメント・ポリシー大学院（専門職大学院を除く）の学位論文審査基準授業に関すること成績評価基準、卒業・修了認定基準等メディア掲載Open/Close学部・大学院人文社会学部法学部経済経営学部理学部都市環境学部システムデザイン学部健康福祉学部Open/Close大学院 研究科・専攻一覧人文科学研究科法学政治学研究科経営学研究科理学研究科都市環境科学研究科システムデザイン研究科人間健康科学研究科大学院分野横断プログラム再編前の学部・大学院Open/Close教育の特長Open/Close革新的なカリキュラム基礎科目群教養科目群基盤科目群キャリア教育・インターンシッププログラム文理の枠を超えた履修推奨科目副専攻グローバル教育教職課程・学芸員養成課程文理教養プログラム学びのスタイル副専攻教職課程・学芸員養成課程教育基盤強化事業Open/Close教育改革推進事業首都大学東京 教育改革推進事業 FD活動都立大の教学IR ~Institutional Research~ベスト・ティーチング・アワードOpen/Close研究・産学公連携Open/Close研究センター、リサーチコア宇宙理学研究センター生命情報研究センター水道システム研究センター子ども・若者貧困研究センターソーシャルビッグデータ研究センター金融工学研究センター水素エネルギー社会構築推進研究センター医工連携研究センター量子物質理工学研究センターエネルギーインテグリティーシステム研究センター島嶼火山・都市災害研究センターコミュニティ･セントリック･システム研究センター言語の脳遺伝学リサーチコアサービスロボットインキュベーションハブリサーチコア（略称：serBOTinQ)高度研究東京都立大学 若手研究者等選抜型研究支援特別栄誉教授等制度・特別招聘教授制度共同研究・受託研究・学術相談・特定研究寄附金知的財産大学等発ベンチャー支援産学公連携スペース TMU Innovation Hub研究力強化推進プロジェクトローカル5G環境を活用した最先端研究都立大の先端研究に迫る傾斜的研究費一覧Open/Closeコンプライアンス・内部統制研究費の不正使用防止に対する取組（相談窓口・通報窓口の案内はこちら）研究活動の不正行為等防止に対する取組（通報窓口の案内はこちら）研究倫理利益相反マネージメント安全保障輸出管理Open/Close国際展開・留学多彩な留学制度／留学プログラムグローバル人材育成についてGlobal Discussion Camp（GDC）国連アカデミック・インパクト外国人留学生支援Open/Close国際交流協定協定校一覧（全学）(250KB)協定校一覧（部局間）(346KB)国際化基本方針国際化推進体制理学部生命科学科　英語課程 英語で学位が取得できるプログラムPickup！都立大の国際化 「東京都立大学ならではの体験ができる交換留学制度――異文化を肌で感じた記憶はその後の人生を変える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事Open/Close学生生活・キャリアOpen/Close学修サポート学生の修学支援主体的学修支援セミナーTA（ティーチングアシスタント）等Open/Close学生サポート学生相談室保健室ダイバーシティ推進室ボランティアセンター保険の加入学生課Open/Close施設の利用図書館連絡バス美術館の無料入場等学生寮などOpen/Closeキャンパスライフ学生広報チームpresents動画クラブ＆サークルFIND YOURSELF AT TMU(2.2MB)都立大生の1日VLOG！理系・文系の学生比べてみたBy朝日新聞YouTubeチャンネル【土佐兄弟の大学ドコイク】Open/Closeキャリア・就職キャリア支援・各種サポートキャリア支援課大学院進学Pickup！キャリア支援 「1年次から履修可能な現場体験型のキャリア授業で、未来の自分を考える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事学費・減免制度・奨学金制度等Open/Close入試案内Open/Close学部入試アドミッション・ポリシー学部入試概要【2024年5月24日更新】外部英語検定試験の利用について（2025年度以降一般選抜）インターネット出願入学者選抜要項・学生募集要項入試Q&A一般選抜の入試結果【2024年5月27日更新】(133KB)多様な選抜の入試結果【2024年4月26日更新】(146KB)募集人員【2023年7月7日更新】(313KB)オープンキャンパス・説明会資料請求・お問い合わせ入学考査料・入学料・授業料Open/Close学部入試制度改正2024年度2025年度2026年度Open/Close大学院入試大学院のシステムアドミッションポリシー大学院入試概要大学院学生募集要項大学院進学後の進路状況入学考査料・入学料・授業料資料請求・お問い合わせ大学案内・大学院案内Open/Closeキャンパス・施設案内キャンパスマップCampus Gallery図書館光の塔牧野標本館交通アクセスエコキャンパス・グリーンキャンパス電力使用状況イベントカレンダー教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 JP EN Follow Us都立大X都立大Channel