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ナノリアクターは、特にナノテクノロジーとナノバイオテクノロジーの分野で使用される化学リアクターの一種です。これらの特殊なリアクターは、ナノファウンドリー（本質的にはナノテクノロジー規模の製品を製造するファウンドリー）の稼働を維持するために不可欠です。
まとめ
一般情報
ナノリアクターという用語は、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実行するために使用される、ナノメートル規模の孤立したシステムを指します。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、材料科学まで、非常に学際的な主題です。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システムの場合もあれば、タンパク質の細孔やチャネルなどの生物学的システムの場合もあります。[1]一般的に、これらのナノリアクターによって提供される閉じ込め効果により、新しい化学が生まれます。この分野は、ここ20年間でようやく大きな注目を集め始めましたが、ナノリアクターがより洗練され、産業用途での有望性を示し始めるにつれて、より多くの研究が絶えず発表されています。
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や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で開封し、その有害な内容物を除去し、そのタンパク質コートを酵素の単一分子の周りに再組み立て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、反応メカニズム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ための新しい方法を切り開く可能性がある。[4]これらは、新しい（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る。[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、選択し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ます。[5]触媒チャンバーへの選択的なエントリにより、目的の製品が二次反応を受ける可能性が低くなります。[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の泡のプラスチック膜内の2つの異なる酵素の位置を制御することによっても構築できます。 [6] 3番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発生する可能性があります（「ワンポット」反応になります）。[6]ナノリアクターの可能性は、酵素ホースラディッシュペルオキシダーゼを膜自体に結合させ、酵素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リパーゼBが含まれます。 [6]結果として生じるグルコースは膜を通過して酸化され、ホースラディッシュペルオキシダーゼはサンプル基質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材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成することで、品質を向上させることができます。[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が良くなることが期待されます。[7]食品および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します。[7]これにより、消費者にとっての食品および飲料のコストが下がる可能性があります。隠れた罪悪税の対象となるアルコール飲料でも同様です。
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]ナノリアクターにより、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つながる可能性があります。[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、その効果を研究するため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の曲率の違いから生じたものである。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、イオン輸送の将来の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人気の研究分野であり、特に単層カーボンナノチューブは化学反応にユニークな表面を提供します。Li, G および 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ます。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の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ます。これらの効果は閉じ込めチャンバーのサイズに非常に敏感で、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重要ではありませんでした。著者らは、単層ナノチューブ内に閉じ込めることで S 2分子が重合して線状ジラジカルになる可能性があると示唆しています。[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の研究では、長いナノチャネルと短いナノポアの両方の内部で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テザーによって壁に取り付けられています。この技術は、溶液中のタンパク質の濃度を測定するセンサーとしてすでに応用されています。この研究では、これらのセンサーの設計に役立つように、タンパク質がこれらの非常に限られた条件下でどのように結合するかをモデル化する理論を開発しました。[10]
参考文献
- ^ 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影響」アメリカ化学会誌。138 (24): 7443–7445。doi : 10.1021 / jacs.6b05393。ISSN 0002-7863。PMID 27329225 。
- ^ 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
- ^ RSC.org でウイルスナノリアクターが単一分子を捕捉
- ^ abcde RSC.org で単一分子に見られる同位体効果
- ^ abcde バークレー研究所の中空ナノ結晶とナノリアクター
- ^ abcde 反応カスケード用ナノリアクター、Science Daily
- ^ abcdefg CTI ナノリアクター アプリケーション アーカイブ 2011-11-05ウェイバックマシンで CTI ナノテック
- ^ 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 。
- ^ 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). 「狭直径単層カーボンナノチューブへの硫黄のカプセル化に対する巨大ラマン応答」. Journal of the American Chemical Society . 138 (1): 40–43. doi :10.1021/jacs.5b10598. hdl : 11336/47490 . ISSN 0002-7863. PMID 26675065.
- ^ Tagliazucchi, Mario; Szleifer, Igal (2015-10-07). 「閉じ込めによってリガンド–受容体結合平衡がどのように変化するか? ナノ細孔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.