研究 2026年7月28日


ナノ細孔の「揺らぎ」が、重水と軽水のようにわずかに質量の異なる分子を選択的に輸送する新しい原理を解明した。
©️画像：斉藤真司教授、湯 之也博士（分子科学研究所・総合研究大学院大学）

概要

⾃然科学研究機構 分⼦科学研究所・総合研究⼤学院⼤学の⻫藤真司教授らと京都⼤学アイセムス（⾼等研究院 物質−細胞統合システム拠点：WPI-iCeMS）の北川進特別教授らの研究グループは、柔軟に揺らぐナノ細孔をもつSoft Porous Crystal（SPC）において、分⼦のわずかな質量の違いを、⼤きな輸送速度の違いへと変換する物理原理を理論的に解明しました。

　SPCでは、細孔の構造が時間的に揺らぐため、従来の静的な細孔材料とは異なる輸送特性が⽣じる可能性があります。実際に2022年、北川教授らは、SPCを⽤いることで⽔同位体分⼦の⾼度な分離が可能であることを実験的に⽰しました。しかし、こうした動的ナノ細孔が、どのような⼀般原理に基づいてわずかな質量差を⼤きな輸送差へと変換するのかは明らかになっていませんでした。本研究グループは、SPCのゲート部分が時間的に揺らぐという特徴に着⽬し、ナノ細孔中を分⼦が拡散する過程を、時間的に変動するエネルギー地形上の輸送として捉え直しました。その結果、揺らぐエネルギー地形上の反応速度の変化として提案されていた「共鳴活性化」の概念を、単⼀の障壁通過ではなく、周期的なナノ細孔中を分⼦が⻑時間拡散する問題へと拡張し、拡散係数※2と質量選択性を直接予測できる独⾃の理論モデルを構築しました。さらに、量⼦化学計算に基づいたエネルギー地形と組み合わせることにより、「細孔の揺らぎの速度」と「分⼦が障壁を越える速度」が⼀致したときに輸送が最⼤化されること、さらに、その時間スケールが質量に依存することにより、分⼦のわずかな質量の違いが⼤きな輸送速度の違いへと増幅されることを理論解析と実在のSPCに対する計算に基づいて⽰しました。

　本成果の特徴は、揺らぐナノ細孔における質量選択輸送が、特定の材料に限られた現象ではなく、⼀般的に起こり得る物理機構であることを⽰した点にあります。さらに、この理論は、2022年に報告されたSPCにおける⽔同位体置換体※3分離の実験結果も説明します。これにより、細孔の揺らぎをデザインすることで、従来の「サイズによるふるい分け（静的設計）」では困難であった精密分離を可能にする「揺らぎによるふるい分け（動的設計）」という新パラダイムを提⽰しました。

　この理論研究による成果は、英国の科学雑誌「Nature Communications」に2026年7⽉15⽇に掲載されました。

詳しい研究成果について

ナノ細孔の「揺らぎ」がわずかに質量の違う分⼦を分ける

書誌情報

論文タイトル：“Fluctuation-driven mass-selective transport in dynamic nanopores”（参考訳：動的ナノ細孔における揺らぎ駆動型質量選択輸送）
著者：Zhiye Tang, Ken-ichi Otake, Hirotoshi Sakamoto, Susumu Kitagawa, and Shinji Saito
Nature Communications | DOI: 10.1038/s41467-026-75540-5