中村特別研究室

最終目的　光合成の初期過程はMnクラスター錯体によって2分子の水から1分子の酸素が発生する水の酸化反応です。光合成研究が躍進した現代でもこの分子レベルの作用機序は依然として未踏のまま残されています。これを量子力学に則って解明します。そしてその原理を用いた新たなナノサイズ電極をデザインし実証します。
研究の概要　現代文明の究極の課題は、光合成や視物質など生物系で実現されており、人工創造物がまだ到達できていない、美しくかつ高効率の材料を手にすることです。その実体は化学的エネルギーを極限的な高効率で力学的エネルギーに変換するナノ構造体です。一方、シリコンテクノロジーに代表される現代の工業製品は、負うている恩恵の大きさをけして忘れてはならないが、エネルギー源は化石燃料であり、部分的には高効率であっても原材料からの精製運搬、高価な精密加工と高精度化のための制御、そして廃棄物処理まで考えると系全体では生体に到底及ばず、排出されたエントロピーの増加という難問を抱えています。
この究極課題に立ち向かう着実な一歩として“光合成を可能にする生体ナノ領域場の研究”という課題を研究します。これは徹底的に生物に学ぶという基礎研究です。生物を生かして機能させている原理は、生体複雑系に特有な非決定論的な原理であり、現在の物質文明の人工的機械デバイスを律している決定論的な原理と根本的なところが違っています。生物は構造的な曖昧さやゆらぎを積極的に活用して機能しています。機械にとっては構造的なゆらぎはノイズであり、誤差の要因です。今後の環境とエネルギー問題の根本的な解決を目指すなら、35億年以上の進化によって鍛えられた営みという生存（営業）実績を持つ生物のこのような原理に学ばねばならないのです。
近年の単分子レベル計測技術の進歩、カオスやゆらぎ理論の飛躍的進展、計算科学技術の相転移的変容、これらの恩恵を受けつつ、信号処理・計算科学と実験科学が融合し、光合成初期過程の等価回路たる人工的ナノ構造電極の設計を目指します。

研究テーマ

• 光合成Mnクラスターの反応機構解析
• 光電気化学と半導体工学
• 光応答材料の量子化学と手法構築
• 信号処理
• 化学の音と可聴化

主要論文

1. Naoki Nishikawa, Hiroyuki Kiyohara, Shingo Sakiyama, Seiji Yamazoe, Hiroyuki Mayama, Tsuyoshi Tsujioka, Yuko Kojima, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura, and Kingo Uchida:
   "Photoinduced Formation of Superhydrophobic Surface on Which Contact Angle of a Water Droplet Exceeds 170° by Reversible Topographical Changes on a Diarylethene Microcrystalline Surface"
   Langmuir, 2012, 28, 17817-17924
2. Tatsumi, Yuto; Kitai, Jun-ichiro; Uchida, Waka; Ogata, Koji; Nakamura, Shinichiro; Uchida, Kingo:
   "Photochromism of 1,2-Bis(2-Thienyl)perfluorocyclopentene Derivatives: Substituent Effect on the Reactive Carbon Atoms"
   J. Phys. Chem. A, 2012, 116(45), 10973-10979
3. Ogata, K., Shen, J., Sugawa, S., Nakamura, S.:
   "MD Simulation Study of Ras/Raf Dissociation and the Resonating Structure of Deactivated Ras"
   Bull. Chem. Soc. Jpn., 2012,85(12),1318-1328
4. J.Kitai, T.Kobayashi, W.Uchida, M.Hatakeyama, S.Yokojima, S.Nakamura and K.Uchida:
   "Photochromism of a Diarylethene Having an Azulene Ring"
   J. Org. Chem. 2012, 77, 3270-3276
5. M.Hatakeyama, H.Nakata, M.Wakabayashi, S.Yokojima, and S.Nakamura:
   "New Reaction Model for O-O Bond Formation and O₂Evolution Catalyzed by Dinuclear Manganese Complex"
   J. Phys. Chem. A, 2012, 116, 7089-7097
6. M.Hatakeyama, S.Yokojima, K.Shinoda, T.Koike, M.Akita, S.Nakamura:
   "Theoretical study on the photocyclization mechanism of diarylethenes with transition metal substituents"
   Bull. Chem. Soc. Jpn., 2012, 85, 6, 679-686
7. S.Sakiyama, S.Yamazoe, A.Uyama, M.Morimoto, S.Yokojima, Y.Kojima, S.Nakamura, and K.Uchida:
   "Photoinduced Reversible Heteroepitaxial Microcrystal Growth of a Photochromic Diarylethene on (110) Surface of SrTiO3 "
   Cryst. Growth Des., 2012, 12(3), 1464-1468
8. K.Fujii, S.Nakamura, S.Yokojima, T.Goto, T.Yao, M.Sugiyama, and Y.Nakano:
   "Photoelectrochemical properties of InxGa1-xN/GaN Multiquantum Well Structures in Depletion Layers"
   J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 25165-25169
9. S.Matsumura, K.Shinoda, M.Yamada, S.Yokojima, M.Inoue, T.Ohnishi, T.Shimada, K.Kikuchi, D.Masui, S.Hashimoto, M.Sato, A.Ito, M.Akioka, S.Takagi, Y.Nakamura, K.Nemoto, Y.Hasegawa, H.Takamoto, H.Inoue, S.Nakamura, Y.Nabeshima, D.B.Teplow, M.Kinjo, and M.Hos:
   "Two distinct amyloid β-protein(Aβ) assembly pathways leading to oligomers and fibrils identified by combined fluorescence correlation spectroscopy, morphology, and toxicity analyses"
   J. Biol. Chem., 2011, 286, 13, 11555-11562
10. S.Nakamura, S.Yokojima, K.Uchida, T.Tsujioka:
    "Photochromism of diarylethene: Effect of polymer environment and effects on surfaces"
    J. Photochem. Photobiol., C, 2011, 12, 138-150