Relationship between solvation structure and crystal perfection at the molecular level for solution growth

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溶液成長は，パワーデバイスであるSiCから有機高分子であるタンパク質の結晶化まで、極めて幅広い分野で用いられており、重要な技術となっている。このため、溶液から成長する様々な材料における結晶の完全性を制御するための普遍的なプロセスを構築するためにも、溶液成長における結晶成長機構の解明は重要となる。溶液から結晶が成長する際には、溶液に存在する分子は多数の水分子で囲まれた水和状態にある。それらが結晶に取り込まれるには、水のジャケットを脱ぐ必要がある。つまり、溶液成長では各々の過程において脱溶媒和過程が存在し、この過程の存在が溶液成長を特徴付けている。前年度は、結晶内に存在するタンパク質分子周りに結合した水分子の結合状態に注目し、ラマン散乱測定を行い、水分子のダイナミクスが速くなるほど、タンパク質分子周りに結合する水分子の量が減少し、かつ、結合水に関与する振動モードの半値幅が減少することを明らかにした。本年度は、研究代表者がこれまで確立してきた交流電場印加によるタンパク質結晶の高品質化技術のメカニズムの解明を進めた。これまでの研究により、交流電場を印加するとタンパク質結晶のステップ自由エネルギーが上昇することが分かっていたが、電場印加の効果の熱力学的な考察を進めることで、交流電場印加によるステップ自由エネルギーの上昇は、エンタルピーの上昇に起因していることを明らかにした。そして、このエントロピーの上昇は、タンパク質分子周りに結合している水分子の減少によるものと期待される。