ナノリアクター

ナノリアクターは、特にナノテクノロジーおよびナノバイオテクノロジーの分野において使用される化学反応器の一種です。これらの特殊な反応器は、ナノファウンドリー（ナノテクノロジー規模の製品を製造する鋳造所）の稼働維持に不可欠です。

まとめ

一般情報

ナノリアクターとは、ナノメートルスケールの孤立系を指し、バルク溶液中の反応とは大きく異なる環境で化学反応を行うために使用されます。これらのナノリアクターの合成と分析は、化学、物理学から生物学、材料科学に至るまで、非常に学際的な分野です。これらのシステムは、ナノポアや中空ナノ粒子などの合成系の場合もあれば、タンパク質細孔やチャネルなどの生物学的系である場合もあります。[ 1 ]一般的に、これらのナノリアクターによってもたらされる閉じ込め効果は、新しい化学反応をもたらします。この分野はここ20年ほどでようやく注目を集め始めており、ナノリアクターがより洗練され、産業用途への応用が期待されるにつれて、新たな研究が継続的に発表されています。

オランダの研究者らは、ワンポット多段階反応を実行できるナノリアクターの構築に成功した。これは、病気や疾患のスクリーニングと診断を含む用途に加えて、人工細胞のようなデバイスへの次のステップである。 [ 2 ]生化学ナノリアクターは、生物学的ウイルスを科学的方法によって単純に開封し、その有害な内容物を除去し、単一の酵素分子の周りにタンパク質コートを再構成するだけで作成される。[ 3 ]運動同位体効果は、膜ベースのナノリアクター内の単一分子に閉じ込められている。[ 4 ]これは、2010年9月に行われた実験中に英国の研究者らによって発見された現象である。 [ 4 ]反応速度が溶液中の同位体原子の存在によって影響を受ける運動同位体効果は、反応機構を解明するための重要な原理である。[ 4 ]この最近の発見は、化学反応を研究する新しい方法を切り開く可能性がある。[ 4 ]それらは、新しい（そしてさらに強力な）ナノリアクターを作成するプロセスにも役立つ可能性があります。[ 4 ]

ナノ結晶を使用すると、拡張可能で安価なプロセスで最終的にナノリアクターを作成できます。[ 5 ]バークレーのローレンスバークレー国立研究所の研究者は、選択されたコンポーネントの大きな違いを利用して、これらのナノ結晶とナノリアクターを作成することができます。[ 5 ]ナノ結晶は、中空粒子の作成プロセスで犠牲テンプレートを使用する方法よりも使いやすく、安価です。[ 5 ]触媒粒子は、粒子の凝集を防ぐためにシェルに分離されています。[ 5 ]触媒チャンバーへの選択的な入口は、目的の生成物が二次反応を受ける可能性を減らします。[ 5 ]

ナノリアクターは、中央の水タンクまたは合成ナノスケールバブルのプラスチック膜における2種類の酵素の配置を制御することによっても構築できます。 [ 6 ] 3つ目の酵素を周囲の溶液に加えると、3つの異なる酵素反応が互いに干渉することなく同時に起こるようになります（「ワンポット」反応）。[ 6 ]ナノリアクターの可能性は、酵素である西洋ワサビペルオキシダーゼを膜自体に結合させ、酵素であるグルコースオキシダーゼを捕捉することによって実証できます。[ 6 ]周囲の溶液には、4つのアセチル基を含むグルコース分子を基質とする酵素であるリパーゼBが含まれることになります。 [ 6 ]生成されたグルコースは膜を通過して酸化され、西洋ワサビペルオキシダーゼはサンプル基質であるABTS（2,2'-アジノビス（3-エチルベンズチアゾリン-6-スルホン酸））をラジカルカチオンに変換します。[ 6 ]

能力

ナノリアクターは、水を乳化したり、ハイドロ燃料（精製ディーゼル製品に15％の水を混合したもの）を生成したり、単一のナノリアクターに複数の原料の流れを存在させることで化学産業に役立つ役割を果たしたり、パーソナルケア製品（ローション、医薬品クリーム、シャンプー、コンディショナー、シャワージェル、デオドラントなど）を製造したり、食品および飲料産業（ソース、ピューレ、スープのベース、ノンアルコール飲料の乳化、サラダドレッシングの加工）を改善したりするためにも使用できます。[ 7 ]

パーソナルケア商品は、企業が複数の相の材料を投入し、水と混合装置を使用してインスタントエマルジョンを作ることで品質を高めることができる。[ 7 ]これらのエマルジョンは粒子が小さくなり、保存期間が長くなり、小売店で販売されたときに見た目も良くなることが期待される。[ 7 ]食品・飲料業界のニーズにより、処理コストの削減、スペースの拡大、効率性の向上、設備コストの削減が実現できる。[ 7 ]これにより、消費者にとっての食品や飲料のコストが下がる可能性がある。隠れた罪悪税の対象となるアルコール飲料であっても、同様の結果になる可能性がある。

ハイドロ燃料は、大型輸送機関、列車、土木機械（ブルドーザーを含む）を動かすために使用できるほか、ほとんどのボートや船舶に燃料を供給することもできます。[ 7 ]ナノリアクターで生産されたハイドロ燃料により、汚染の削減と燃料効率の向上が期待できます。[ 7 ]ナノリアクターのおかげで、再生可能エネルギーの利用が増えれば、世界の環境改善にも役立つ可能性があります。[ 7 ]

アプリケーション

ロイ、スキナーらは2014年に自己組織化ジェミニ界面活性剤中の水のダイナミクスを研究した。[ 8 ]この研究は、化学反応におけるナノスケール材料の有用性だけでなく、その効果の研究に必要な複雑さも示している。研究チームは分光法と分子動力学シミュレーションを利用して、ナノ多孔質構造内では、ジャイロイド相の水のダイナミクスがバルクの水よりも1桁遅いことを突き止めた。この結果は、通常のジャイロイドの界面における曲率の違いから生じる。スルホン酸界面活性剤の逆球状ミセルに閉じ込められた水と比較すると、水はより速いダイナミクスを示した。この複雑な挙動は、将来のイオン輸送研究に影響を与えると仮定された。

カーボンナノチューブは研究対象として人気があり、特に単層カーボンナノチューブは化学反応に特異な表面特性を示す。Li, GとFu, Cらは、これらの単層カーボンナノチューブに硫黄を封入することでラマンスペクトルが大きく変化することを報告している。このような小さな空間への閉じ込めが化学反応に及ぼす影響の一例として、著者らはラマンスペクトルの変化は硫黄とナノチューブ壁とのファンデルワールス相互作用に起因すると理論づけている。この効果は閉じ込めチャンバーのサイズに大きく左右される。ファンデルワールス相互作用は直径の大きい単層ナノチューブでは顕著ではなかったためである。著者らは、単層ナノチューブ内に閉じ込められることでS 2分子が重合して線状ジラジカルを形成するのではないかと示唆している。[ 9 ]

ナノリアクターは生物学的空間にも応用されています。タグリアズッキとシュライファーによる研究では、長いナノチャネルと短いナノポアの両方の内部におけるタンパク質とリガンドの結合を研究しています。これらの限られた空間内では、リガンドはポリマー鎖によって壁に結合しています。この技術は既に、溶液中のタンパク質濃度を測定するセンサーとして応用されています。本研究では、このような非常に限られた条件下でタンパク質がどのように結合するかをモデル化する理論を構築し、これらのセンサーの設計に役立てています。[ 10 ]

参考文献

  1. ^ Petrosko, Sarah Hurst; Johnson, Robert; White, Henry; Mirkin, Chad A. (2016-06-22). 「ナノリアクター：小さな空間、化学における大きな意味」 . Journal of the American Chemical Society . 138 (24): 7443– 7445. doi : 10.1021/jacs.6b05393 . ISSN  0002-7863 . PMID  27329225 .
  2. ^自然を模倣したナノテクノロジーのもう一つの例： NanoWerkのワンポット多段階反応用ナノリアクター
  3. ^ RSC.orgでウイルスナノリアクターが単一分子を捕捉
  4. ^ a b c d e RSC.orgで単一分子に見られる同位体効果
  5. ^ a b c d e中空ナノ結晶とナノリアクターアーカイブ2008-10-27 ウェイバックマシンat Berkeley Lab
  6. ^ a b c d eサイエンスデイリーの「反応カスケードのためのナノリアクター」
  7. ^ a b c d e f g CTIナノリアクターアプリケーションArchived 2011-11-05 at the Wayback Machine at CTI Nanotech
  8. ^ロイ、サンタヌ;スコフ、デイビッド。ペローニ、ドミニク V.モンダル、ジャガンナート。イェティラージ、アルン。マハンタッパ、マヘシュ K.ザニ、マーティン・T.スキナー、ジェームス L. (2016-03-02)。「自己組織化ジェミニ界面活性剤のジャイロイド相における水のダイナミクス」。アメリカ化学会誌。138 (8): 2472–2475。土井: 10.1021/jacs.5b12370。ISSN 0002-7863。OSTI 1341619。PMID 26875689。   
  9. ^ Li, Guanghui; Fu, Chengyin; Oviedo, M. Belén; Chen, Mingguang; Tian, Xiaojuan; Bekyarova, Elena; Itkis, Mikhail E.; Wong, Bryan M.; Guo, Juchen; Haddon, Robert C. (2016-01-13). 「狭径単層カーボンナノチューブへの硫黄の封入に対する巨大ラマン分光応答」 . Journal of the American Chemical Society . 138 (1): 40– 43. doi : 10.1021/jacs.5b10598 . hdl : 11336/47490 . ISSN 0002-7863 . PMID 26675065 .  
  10. ^ Tagliazucchi, Mario; Szleifer, Igal (2015-10-07). 「閉じ込めはリガンド–受容体結合平衡をどのように変化させるか？ ナノポアとナノチャネルにおけるタンパク質結合」 . Journal of the American Chemical Society . 137 (39): 12539– 12551. doi : 10.1021/jacs.5b05032 . hdl : 11336/80444 . ISSN 0002-7863 . PMID 26368839 .  
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