同一の超分子フレームワークからインサイチ変換による異なるタイプの多孔性液体へ

小さな隠れた空間を持つ液体

油のように流れるが内部に無数の小さな空室を隠している液体を想像してください。こうした「多孔性液体」は、通常の流体よりもはるかに効率的に二酸化炭素などのガスを吸着でき、温室効果ガス削減や化学物質のより効率的な貯蔵のための新たな手段を提供します。本研究は、出発材料を変えずに、周囲の塩様流体を変えるだけで、2種類の非常に異なる多孔性液体を作る方法を示しています。

組み合わさって“クリック”する構成要素

研究者たちは超分子フレームワークから出発します。これは金属有機ケージが三次元パズルのように組み合わさってできた固体です。各ケージは内部空洞につながる小さな三角形の開口部を持つ中空クラスタです。これらのケージは比較的弱いイオン結合で大きなフレームワークとしてつながっており、これは食塩中の荷電粒子間の引力と似ています。こうした結合は壊れやすいため、適切な液体環境に置くと全体構造を再配置できます。

二つの液体、二つの結果

フレームワークの挙動を制御するため、研究チームは柔軟なポリエチレングリコール鎖をベースにしたほぼ同一の二種類のイオン液体を設計しました。違いは負に帯電した相手イオンだけで、ひとつは臭化物イオン、もうひとつはよりかさばるNTf2イオンを持ちます。この小さな違いにもかかわらず挙動は逆です。臭化物を含む液体では、溶媒の負電荷が正に帯電したフレームワークを強く引き付け、イオン結合を引き裂いて個々のケージを解放し、完全に溶解させます。これにより液中に孤立した中空ケージが浮かぶ「タイプII」多孔性液体が生成されます。一方NTf2液では、溶媒とフレームワーク表面の両方が正に帯電するため反発し合い、フレームワークは保持されつつ均一に分散し、「タイプIII」多孔性液体を形成します。ここでは固体粒子が懸濁しているものの、アクセス可能な空洞を維持します。

微細な空洞がガスをどう捕えるか

実験と計算機シミュレーションにより、両方の液体でかさばる溶媒分子はケージの窓を通り抜けられないため、内部の部屋は空のままでガス分子を受け入れる準備ができていることが確認されました。ナノスケールの空隙に敏感な陽電子寿命の測定は、両液体が純溶媒よりも多くの自由体積を含むことを示します。シミュレーションはさらに「外部空洞」を明らかにします。これは溶媒分子が各ケージの周りに詰まる際に生じる追加の隙間で、ガスのための追加の収納ロッカーのように働きます。溶媒に囲まれて個別に分散するタイプII液は、ケージがフレームワーク内で凝集するタイプIII液よりも多くのこうした外部空洞を形成します。

二酸化炭素捕集のための光スイッチ

重要なひと工夫は、ケージ壁にアゾベンゼン単位が含まれている点です。アゾベンゼンは紫外線や可視光にさらされると形を変える分子です。紫外線では曲がり、空洞がわずかに縮むか形を変え、可視光では再び伸びます。ケージがより自由に動けるタイプII液では、この形変化が特に効率的で、液体が保持できる二酸化炭素量に大きな可逆的変化をもたらします。低温かつ穏やかな圧力条件で、臭化物ベースのタイプII液はタイプIII液よりも二酸化炭素を2倍以上貯蔵し、単なる溶媒よりも劇的に多くのCO2を取込みます。また、これまで報告されたすべてのタイプII多孔性液体と比べても記録的な高容量を示し、窒素やメタンよりも二酸化炭素を優先的に取り込みます。

よりクリーンなガスのためにこれが重要な理由

多孔性フレームワークとそれを取り巻くイオン液体との電気的相互作用を繊細に調整することで、研究者たちは同じ構成要素から非常に異なる多孔性液体を作る一般的なレシピを示しました。一方のルートは溶解したケージを生み、優れたガス容量と強力な光駆動の制御をもたらします。もう一方は拡張フレームワークを保持し、やや控えめながらも性能が向上した状態を提供します。このアプローチは、混合ガス流からの二酸化炭素捕集やその他の分離のために、液体の加工のしやすさと多孔性固体の貯蔵力を組み合わせた、用途に応じて切り替え可能な液体の設計に役立つ可能性があります。

引用: Liu, Y., Jin, HY., Li, MM. et al. From the same supramolecular framework to distinct types of porous liquids via in-situ transformation. Nat Commun 17, 3072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69837-8

キーワード: 多孔性液体, 二酸化炭素回収, イオン液体, ガス分離, 光応答材料