スイカの皮、素晴らしい仕事をしましたね！私の国のこの科学研究チームはもう一つの重要な成果を生み出しました

最近、ウェストレイク大学未来産業研究センターと理学院の孫立成氏のチームが、画期的な研究結果をネイチャー・コミュニケーションズに発表した。彼らはスイカの皮の膜にヒントを得て、電気化学的二酸化炭素還元反応 (CO2RR) において優れた性能を発揮する新しいイオン輸送膜 (ITM) を構築する戦略を提案しました。

スイカの皮膜は、スイカの皮の最も外側の層にある緑色の膜です。凍らせて剥がすと、髪の毛の直径ほどの約75ミクロンしかありませんが、素晴らしい「デザイン思考」を見せてくれます。そしてこの研究はその「鉄の愚者」から始まったのです。

孫立成のチームが解凍したスイカの皮膜を剥がしている

2021年の端午節の期間中、劉清禄さんと唐唐さんは残業して実験を行いました。彼らは校門の売店でスイカを購入し、早く冷めることを期待して急速冷凍庫に入れました。結果的に、実験に忙しくて数日後まで思い出せませんでした。

タンタンは自然に落ちたスイカの皮を眺めながら、氷の残りを噛んでいた。果物を冷凍することが多い人は、解凍後に皮が剥きやすいことを知っているはずです。唐唐と劉清禄は議論しました、メロンの皮は天然の膜ではないのですか？これは自然から生まれたデザインであり、院士の孫立成氏のチームが取り組んでいるイオン輸送膜の研究分野の一つでもあります。

イオン輸送膜は、電気化学的二酸化炭素還元反応、水電気分解、燃料電池などの再生可能エネルギー変換および貯蔵システムの重要な構成要素です。それらの性能はエネルギー変換効率と製品回収コストに直接影響します。現在広く使用されているイオン輸送膜は 4 つのカテゴリに分類されますが、いずれも多くの制限があります。

多孔質膜はエネルギー効率が低く、ガスバリア性も劣ります。

プロトン交換膜は高価な白金族電気触媒に依存しています。

陰イオン交換膜製品の回収コストが高い。

イオン溶媒和膜は高濃度の水酸化カリウム電解質に依存しています。

理想的なアルカリ電気化学的二酸化炭素還元反応システムのイオン輸送膜は、「ネット」のような選択的透過性を備えている必要があります。つまり、電解質中の水酸化物イオン (OH-) は自由に通過できますが、陰極電解質中の二酸化炭素液体生成物 (ギ酸、酢酸、エタノールなど) はブロックされ、分離コストが削減されます。

少し矛盾しているように思えるかもしれませんが、「最初のテストに合格した」スイカの皮には、この魔法の能力があるようです。

スイカの皮膜の模式図。主に3層から構成されています。キューティクルは最も外側の角質層、表皮は表皮、皮下組織は皮下組織層です。

なぜスイカの皮はこのようなイオン選択性を示すのでしょうか?

まず、スイカの皮について生物学的な観点から十分に理解する必要があります。

****研究チームは、さまざまな特性評価技術を通じて、セルロース、ヘミセルロース、ペクチンなどの細胞壁の主成分を特定しました。セルロースは規則的に配列して直径2～5ナノメートルの三次元チャネルを形成しており、ペクチンはこの規則的に配列した三次元繊維状チャネルを均一に満たしています。

ペクチンを含むセルロース繊維束の分子動力学シミュレーションモデル

現在、人類の最先端のチップ製造技術でも、5ナノメートル未満の空間で論理回路を生産することしかできません。しかし、スイカの皮の場合、これが「基本動作」であり、「製造図面」がDNAに保存されています。

研究チームはスイカの皮の膜をさらに細分化し、皮下層が最も優れた性能を発揮することを発見した。どれくらい優れているのでしょうか?室温で1mol/L水酸化カリウム（KOH）に浸したスイカの皮の皮下膜中の水酸化物イオンの伝導性は、1mol/L水酸化カリウム水溶液自体のイオン伝導性よりも優れています。つまり、スイカの皮の膜は水酸化物イオンの透過を促進し、水酸化物イオンがより速く移動できるようにします。

次の疑問は、「模範的な生徒」の能力をどのように学び、再現するかということです。

スイカの皮膜の微妙な物理的構造を理解するだけでは明らかに不十分です。私たちはそのより深いメカニズムを探求する必要があります。なぜこの複雑で微細なチャネルは水酸化物イオンのみを通過させ、酸性イオンを排除するのでしょうか?

現象を発見することに比べると、メカニズムを探ることはより困難です。

さて、複雑で時間のかかる調査プロセスを省略して、結果について簡単にお話ししましょう。

研究チームは、水酸化物イオンの伝達において、スイカの皮の細胞壁のナノチャネルを閉じ込めて満たす微多孔性ペクチンによって形成される連続的な水素結合ネットワークが重要な役割を果たしていること、そしてその背後にあるメカニズムには「壁を通り抜ける」魔法があることを発見しました。

細胞壁のペクチンは、表面のヒドロキシル官能基を介して結合水を形成できるため、水とのつながりが促進され、限られた空間内で連続した水素結合ネットワークが形成されます。

水素結合ネットワーク化学の概略図。水酸化物イオンの移動のプロセスは、物理学における「ニュートンのゆりかご」に少し似ています。

研究チームはさらに、シミュレーション計算により、ペクチンに多く含まれる負に帯電したカルボン酸イオン（-COO-）と負に帯電したギ酸イオンが「互いに反発し合い」、ギ酸イオンの移動を妨げることを発見し、これは実験結果によっても確認された。

答えは徐々に明らかになりました。一方では、水酸化物イオンは、あたかも高速道路に乗っているかのように、連続した水素結合ネットワークと微細孔チャネルを通って加速されました。一方、酸性イオンはペクチン中のカルボキシレートに反発され、ペクチンとセルロース中のヒドロキシル基と水素結合を形成し、引きずり下ろされました。

研究室にいるタン・タン博士。現在はウェストレイク大学の准研究員。

この時点で、「模範生」スイカの皮膜のメカニズムは、ようやく基本的に解明されました。この独創的なメカニズムは、研究室が新しいイオン輸送膜を設計し、超高性能を発揮する水電気分解および電気化学的二酸化炭素還元反応用の陰イオン交換膜を準備する指針となっています。これらのフォローアップ研究開発は現在進行中の段階です。

しかし、スイカの皮膜内の入り組んだナノスケールのチャネルや、細胞壁内のバイオマスの複雑な構造と組成を目の当たりにして、研究チームは自然に対する畏敬の念から、スイカの皮膜のメカニズムを完全に理解したとはまだ言えない。