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 “自主”非平衡外部刺激反应材料

本文来自Chem-Station日文版 非平衡な外部刺激応答材料を「自律化」する cosine

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

第261次的焦点研究采访的是东京大学研究生院综合文化研究系的正井宏助教

正井博士所在的寺尾实验室致力于研究具有轮烷结构的有机高聚物型导线和推动新型有机设备的广阔应用。今天我们介绍的研究成功地合成了基于轮烷结构分子设计的,能对CO浓度做出响应的金属络合体多聚物。

正井博士的论文在Nature Communications上以原著论文的名义公开发表

“Insulated conjugated bimetallopolymer with sigmoidal response by dual self-controlling system as a biomimetic material”
Masai, H.; Yokoyama, T.; Miyagishi, H. V.; Liu, M.; Tachibana, Y.; Fujihara, T.; Tsuji, Y.; Terao, J. Nat. Commun. 202011, 408. DOI:10.1038/s41467-019-14271-2

我们来听听正井博士的大老板寺尾澜教授对他的评价吧!

我和正井博士从他本科毕业的时候就认识了算起来也有10年的交情了,我打心底觉得他是个很聪明的人,平时他的实验量也很大,平时在做实验的时候无形间会形成一种拒人千里之外的气场,但只要一碰上他最喜欢的红酒就会变回一个和蔼的大叔(哈哈)。我相信正井在不久的将来会成为国际化学界一位闪亮的明星。这次介绍的论文是基于正井先生过去所做的超分子化学、高分子化学、过渡金属化学的经验和研究基础上,实现的具有自动调整功能的人工材料。这次的论文也是经过一次次的修改,花了一年时间写出来的,可以说是“大制作”吧。请诸位一定要看一看,谢谢!

那么我们来愉快地进入Q&A环节。

Q1 正井博士您好,您能给我们简单介绍下您的这次的研究内容吗?

在自然界中,神经传导和免疫等有一套特殊的调节系统,即如果外界刺激太微弱就不会引起细胞反应,外界刺激太强则会调节细胞使细胞不会过度反应。我这次的研究就是模拟自然界这一套系统,研究的主角是一种能感应CO浓度并作出反应的发光材料,通过研究我们让它拥有能识别低,中,高三种不同的CO浓度并拥有能自动调节应答的一套系统。我们首先合成了由Ru(II)和Pt(II)这两种金属络合物交替连接组成的聚合物,在CO环境下,Ru会和CO络合形成络合物,所以原先的聚合物会发生部分解聚(Fig. 1A)。这个系统受CO浓度影响,我们在一定的时间后测定材料的发光强度,在低CO浓度区域材料显示无响应,在中等CO浓度区域材料显示与浓度成比例的响应。到了高浓度CO的时候,虽然还有少许聚合物残留但响应值已经不会随着CO浓度而发生改变了。材料的荧光强度反应了环境中CO的浓度强弱,根据环境中CO浓度,有两个阶段的响应值调节(Fig. 1B, C)。

Fig. 1 (A) Ru和Pt组合形成的聚合物构造式和与CO发生的反应。(B)观测到的二阶段响应值调节和(C)说明图

Q2. 能请您谈谈您觉得这个研究中最具有挑战性的地方和印象最深的地方吗?

两个的阶段响应值调节的关键在于单体的诱导发光和聚合物的解聚速度。当CO浓度太低时,处于解聚反应的初级阶段的聚合物几乎不产生单体,这样造成的情况就是尽管解聚反应在进行但单体并没有生成(解聚反应和单体生成这两者有时间上的延迟),这就是第一个调节机制。第二个调节的地方在当CO浓度很高的时候,这时CO的浓度就对6配位的钌络合物的解离型配体交换反应的决速步没有影响,这就是第二个调节机制: 解聚反应的发生独立于CO浓度。在迄今为止以热力学控制为主流的外部刺激响应材料中,本材料的亮点是巧妙地加入速度论控制。我至今都对发现这个现象的那天记忆犹新。

实际上当CO浓度很低的时候,一些杂质的影响就变得不可忽视了。多亏了当时还是硕士研究生的衡山同学在经历过一次次的失败后确立了正确的实验方法。后来接手的宫岸同学也。说句老实话,我的研究能成功离不开学生们的高超的实验技术。

Q3. 您认为研究最困难的地方是哪里呢?您是怎么克服的呢?

自从发现了两阶段调节机制后,一直很苦恼要怎么在论文里说明这个现象的意义和阐述这个现象背后的价值。为了能对得起这么珍贵的发现,我花了不少时间努力组织逻辑,理清表达思路试图向读者传递这个发现的重要性。我有向同组的人,同师门的同辈,前辈,后辈,甚至不同研究领域的大学朋友求助。在一次次的讨论中和一次次的酒会里,我逐渐在脑中形成了自己的写作思路。这个过程也是十分的耗酒水啊(笑)。经历了漫长的过程终于写出来了,真是耗费了不少人的心血,空了不少酒瓶啊~

Q4. 您将来的化学研究的目标是什么呢?

我想成为一名能捕捉身边化学的研究者。我们被化学环绕着,如果我们重新审视下我们原以为正确的反应和化学物性,我们会发现还有很多理论和设计思路存在不完备的地方。我将来想把自己所做的化学研究和身边的化学结合起来,会有意想不到的发现吧。

其实这个念头也是来自于痛定思痛,以前我总是埋头于专业研究,和朋友们见面时,朋友日渐很少问起“最近在做什么研究呢”之类的问题。大家都对“讳莫如深”的高深化学提不起兴趣。所以我决定要向大家传播化学的有趣之处,让许多非化学专业的人也爱上化学。

Q5. 最后,您有什么话想对读者说的吗?

虽说在学术界非常重视研究成果的原创性,但在整个研究过程中我们不可避免和很多人交流想法或和许多人讨论。现在这个时代不仅仅是比谁最先发现新事物的时代了,而是比拼谁能最先在讨论中发现前人从未发现过的东西的时代了,这同时也是研究中的一个令人欣喜的时刻吧。很多时候其实不必等自己做了充足的准备再与别人探讨,把自己一些不成熟的想法甚至是半成品拿来与别人交流也能收获不少东西。所以,诸君请一定要大胆的尝试。

最后,我要对以寺尾先生为首的很多对我这次研究有莫大帮助的人们致以深深的谢意。

研究者履历

正井
東京大学大学院综合文化研究科 寺尾研究室
研究主题 光机能材料的开发

2013年4月 〜 2016年3月 日本学术振兴会特別研究员(DC1)
2016年3月 京都大学院工学研究科物质能量化学専攻 博士(辻研究室)
2016年4月 〜 2017年5月 東京大学大学院新领域创成科学研究科 日本学术振兴会特別研究員(PD)(伊藤・横山研究室)
2017年6月 〜 2019年3月 東京大学大学院综合合文化研究科 特任研究员(寺尾研究室
2019年4月 〜 同实验室助教

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