無機化学に生化学などの知見を融合

私の専門は、無機化合物の精密な合成です。無機化合物を意図どおりに精密に合成することで、新規の役立つ材料の開発を目標としています。

研究の特徴として無機化学に生化学の知見を融合することが挙げられます。今回のプロジェクトでは温泉等に生育するバクテリアからタンパク質分子を単離し無機化合物合成の反応場とすることを計画しています。子どもの頃から生物が好きでナノテクの道に進んでからも生化学に対して関心を持っていました。世界でも生化学と無機化合物の基礎研究に同時に取り組む研究者は少なく、それが自分のアドバンテージとなればと考えています。

ブロックのように分子をつなぐ

現在、さきがけのプロジェクトで進める研究テーマは、「巨大多元素異種金属多核構造の逐次的精密合成」です。研究の目的は、いろんな元素を狙い通りに組み合わせた巨大分子によって有用な物質を作り出すことです。無機化合物の精密合成では配位子という入れ物に核となる金属イオンを入れる作業を行います。それは色違いのおもちゃのブロックを組み合わせる作業と似ています。ブロックを用いれば簡単に意図した形を作れますし、ブロックの塊を組み合わせることも容易ですが、分子で同じように意図した構造を合成することは困難です。

一般的にナノスケールのサイズの分子を、2つ以上の金属イオンを核にして設計する場合、炭素鎖を骨格とする有機分子を配位子として用います。しかし有機配位子は構造が柔軟であるため金属核の位置を厳密に制御できず、また導入できる金属イオンの数や種類が少ないという大きな欠点がありました。直径が5nm〜100nm程の大きさのメゾスケールサイズの巨大分子の合成を意図通りに合成するのは、ほとんど不可能でした。

その課題に対し私は、剛直で安定した構造を持つ無機分子を配位子に用いて、特定の金属核を配位子中の狙った位置に入れる手法を開発しました。その方法を発展させれば、小さなブロックの組み合わせを連結することでお城のような壮大な作品を作れるように、多様な金属イオンを望んだ場所に配置した巨大分子ができるのではないか。そう考えたのが、この研究を始めたきっかけです。

金属イオンを組み合わせ合成するイメージ図

活性の高い触媒の合成が可能に

これまでの研究成果として3種類14個の金属イオンの核を、意図どおりに配置した分子の合成に成功しています。その分子を多数つなげれば活性の高い触媒や、強力な磁石、記録媒体のもととなる材料に応用できると考えています。

巨大分子触媒のメリットは、金属イオンをメゾスケールの粒子サイズで密集させることで、大量の電子とプロトンを授受できることです。それによりこれまでにない酸化還元特性が期待され、医薬品などの化学材料合成プロセスを効率化できます。

また多様な金属の活性点がある巨大分子を溶液に溶かして触媒とすれば、その活性点の数や種類の多さから、非常に活性の高い触媒となると考えられます。

分子レベルの磁性研究も視野に

また巨大分子の磁性を利用することで、まったく新しい磁気メモリ材料としての可能性も視野に入れています。従来のハードディスク等の磁気メモリはディスク表面にごく微細な磁石を並べ、その極性で０／１のデジタル情報を記憶する仕組みです。この方式は磁石の粒子を小さくするほど記憶容量が高まりますが、近年では粒子同士がノイズを与えない限界の小ささに到達しており、これ以上の記憶容量向上が難しくなっています。

私が開発を進める複数の金属核を持つ巨大分子は、従来のメモリ粒子と比べて非常に小さく、分子一つひとつに電子のスピンの向きを利用して０と１の情報を記録することができれば、これまでのメモリ材料に比べて圧倒的に単位面積あたりの記憶容量が大きいメモリ素子ができる可能性があります。

100年後の未来に役立つ材料を

分子サイズの磁性材料の磁気特性については、まだまだわからないことがたくさんあります。応用を見据えるとともに明らかになっていない、巨大分子の低温での物性についても、研究していきたいと考えています。

また、私の研究の特色である生化学と無機化学の融合に関しても、タンパク質分子を使用して異種金属多核構造を作り出す研究を進め開発につなげたいです。研究は緒についたばかりでやるべきことは山積みですが、「100年後の未来」に役立つ材料を開発したいと考えています。