Unusual mass transport through nanochannels enabled by inner wall chemical modification

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本申請研究では、これまで注目されてこなかったナノチャネルの内壁の化学構造に注目し、それによって生み出される新しい流体の「流れ」の学理を構築し、高効率物質輸送、選択的分離へと繋げることを目的としている。申請者はこれまでフッ素化された内腔をもつ大環状化合物の1次元集合化によるフルオラスナノチャネルの開発をし、これが最も早く水を透過するナノチャネルであることを明らかとしてきた。これはナノチャネルの内壁が内部を流れる流体に大きな影響を与えることを示した端的な例である。本申請研究では、この研究で得られた知見を生かし、ナノチャネル内壁の化学修飾による高効率な水輸送を実現することを目指す。本研究は、古典的な学問である流体力学に対して化学の視点から新しい「流れ」の実現を目指すものであり、同時に超高効率膜分離への応用の基礎を与える研究である。初年度である2021年度は、内壁の構造が異なる新規フルオラス大環状化合物を合成し、シリーズ化したフルオラスナノチャネルの水透過実験及び脱塩能を検討した。その結果、フッ素密度が低い新規フルオラス大環状化合物の合成に成功し、内径及びフッ素密度の異なる合計4種類のフルオラスナノチャネルが出揃った。これらの水透過能及び脱塩能の検討を行ったところ、すべてのナノチャネルにおいてこれまで報告されてきたどのナノチャネルよりも高い水透過能が観測された。驚くべきことに、塩を構成するナトリウムイオンや塩化物イオンの水和サイズ（いずれも直径0.66 nm）よりも大きなポアサイズを持っているにも関わらず内径0.9 nmや1.5 nmのフルオラスナノチャネルにおいてはほぼ100%の脱塩能を示した。過去比類ない高速水透過能を有していながら脱塩能を併せ持つナノチャネルは次世代水処理膜の候補物質として非常に有用であると考えられる。