ユニークなナノ構造を持つ持続可能な社会のための機能性材料の開発

SDGsの達成に向けては、材料の革新が欠かせないと言われています。子どもがブロックを使ってお城や街を作って遊ぶように、目には見えない原子を組み上げて形を作り、機能を生み出していく―。菊川雄司准教授は、機能が発現する最小単位から、機能性材料の開発に取り組んでいます。

身の回りにあるさまざまな物質は、周期表にある原子の組み合わせでできているというのは、皆さんご存知だと思います。私たちの研究室では、数個、数十個の金属原子を1個ずつ組み上げて、特定の形を作るという研究に取り組んでいます。こうした集合体はナノクラスターと呼ばれ、独特な物質の機能が発現します。金属の原子を集めた金属クラスターは、原子1個の状態とも、目に見えるサイズの金属とも異なる物性が現れ、特にエネルギーや環境分野で研究の進展が期待されています。

たとえばこのモデルは約50個の原子を組み合わせたもので、お椀のような形をしています。もちろん肉眼では見えません。全体が約1ナノメートルで、中央のくぼみは原子1個が収まるサイズです。こうした形状を活かし、くぼみに特定の原子を取り込んだり、くぼみに“フタ”をつけて開け閉めしたりといった、新たな機能を生み出すことにチャレンジしています。原子を集めて形と環境を作り、その形に特徴的な機能を求めていく。これ以上ないくらいの精密な世界です。

金属クラスターの特質を活かした材料開発をするためには、原子の数を峻別し、サイズと形状を制御して合成を行うことが重要になります。私たちが用いているのは、原子番号23のバナジウム、そして酸素です。

バナジウムは石油精製時の触媒や製鋼の添加物として使われている金属です。金属クラスターは、溶液中で化学反応させるなどの手法で合成しますが、一般的には凝集しやすく不安定という課題があります。これに対して私たちは、分子技術を駆使し、安定、独立して存在する金属クラスターを合成する方法を開発しています。これだけ精密な制御ができるのは、世界を見渡しても当研究室がトップクラスだと自負しています。

私たちが取り組んでいるのは無機化学の基礎的な研究ですが、よりよい社会を支える材料を作る、持続可能性のある新しい産業に貢献していく、というところは常に意識しています。

今、特に力を入れているのは、燃料電池に関わる研究です。水素エネルギーを利用する燃料電池は、電解質上を水素イオンが伝導することで動作するもので、利⽤時にCO2を排出しないクリーンエネルギーとして注目されています。私たちは、従来の材料開発のあり方から視点を変え、クラスター的なまとまりをベースに組み上げていくという方向性で、より効率よく水素イオンを流す材料のデザインに取り組んでいます。

原子で作る形にはさまざまな可能性があり、興味はつきません。材料分野ではマテリアルズ・インフォマティクスの取り組みが活発になっていますが、AIは材料開発のプロセスを効率化することはできても、材料の新しい形を作ることはできないでしょう。そこには研究者の知識や技術、経験値が欠かせないのです。