油と水の相互作用で人工嗅覚センサの“堅牢性”を高める！

• 新しい疎水・親水相互作用により、“鼻”の機能を担う人工嗅覚センサにおいて従来は達成困難とされていた“堅牢性とセンシング感度の両立”を世界に先駆けて実現。
• 従来はその寄与が小さいと考えられてきた“疎水性分子骨格と親水性固体表面の間に働くファンデルワールス力”を利用する新しい人工嗅覚センサ動作原理を実証。
• 本科学技術により、我々の身の回りに存在するさまざまな“匂い”の情報を長期間に渡って測り続ける新しい科学“匂いデータサイエンス”とその産業展開が期待される。

　東京大学大学院工学系研究科の柳田剛教授（兼：大阪大学産業科学研究所 招へい教授）、高橋綱己准教授と九州大学大学院総合理工学研究院の辻雄太准教授らによる研究グループは、人工嗅覚センサ（注1）研究では達成が困難であると考えられてきた“堅牢性（注2）とセンシング感度の両立”を、従来はその寄与が小さいと考えられてきた“疎水性分子骨格（注3）と親水性固体表面（注4）の間に働くファンデルワールス力（注5）”を意図的に利用する新しいセンサ動作原理の提唱により実現しました。本研究の成功の鍵は、分子認識に関する化学研究分野では無視できるほど寄与が小さいと考えられてきた“疎水性分子骨格と親水性固体表面の間に働くファンデルワールス力”を積極的に利用したところにあります。この研究成果により、今後我々の身の回りに存在するさまざまな“匂い”の情報を長期間に渡って測り続ける新しい科学“匂いデータサイエンス”とその産業展開に役立つことが期待されます。

　本研究成果は、2024年10月31日（英国時間）に英国科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。

（注1）人工嗅覚センサ
嗅覚機能を模倣するセンサ素子。ここでは大気や分析対象ガス（ヒト呼気など）中に存在する揮発性の分子群を、電気信号変化として検出する小型の電子素子を指す。

（注2）堅牢性
人工嗅覚センサにおける堅牢性は、長期間にわたって動作させた際にセンサ特性（同じ分子に対する電気抵抗変化量など）の変化を生じずに安定的に分子検出が可能であることを指す。

（注3）疎水性分子骨格
疎水性とは、水に溶けにくい、また水との相互作用が弱い性質を指す。本研究で扱う分子（表面修飾分子ODPA、検出対象分子ノナナール）はいずれも分子骨格として炭化水素からなるアルキル鎖を有しており、疎水性である。

（注4）親水性固体表面
親水性とは、水に溶けやすい、また水との相互作用が強い性質を指す。本研究で扱う人工嗅覚センサ材料である、酸化亜鉛に代表される金属酸化物の表面は親水性を有する。

（注5）ファンデルワールス力
ファンデルワールス相互作用とも表記する。分子や原子同士が接近した際に働く弱い引力であり、分子・原子間で発生する瞬間的な電荷の偏りによる相互作用を指す。共有結合やイオン結合のような強い化学結合と比較すると非常に弱い力であるが、疎水性や非極性の分子間では安定状態の形成に寄与している。本研究ではさらに弱いと考えられていた疎水性分子骨格と親水性固体表面のファンデルワールス相互作用に基づく新たなセンシング機構を提案している。

雑誌名：Nature Communications
題　名：Van der Waals Interactions Between Non-polar Alkyl Chains and Polar Oxide Surfaces Prevent Catalyst Deactivation in Aldehyde Gas Sensing
著者名：Kentaro Nakamura, Tsunaki Takahashi*, Takuro Hosomi, Wataru Tanaka, Yu Yamaguchi, Jiangyang Liu, Masaki Kanai, Yuta Tsuji, and Takeshi Yanagida*
DOI：10.1038/s41467-024-53577-8
URL：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53577-8

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総合理工学研究院　辻 雄太　准教授