京都大学 物質-細胞統合システム拠点（iCeMS）北川進グループ

京都大学の物質-細胞統合システム拠点（iCeMS）北川進グループは、ナノサイズの空間をもつ多孔性 材料を開発し、その空間内に取り込まれた分子やイオンが主役となって引き起こすサイエンスを研究しています。そのPCP合成の際にInitiator+ Sixty、Isolera、V-10と様々なバイオタージ製品をご使用いただいています。
今回は、樋口雅一特定助教と研究員の梶原隆史さんにお話をうかがいました。

─ まず、先生のご研究について教えてください。

樋口先生：
私たちは北川進教授のもと、最も小さい空間のサイエンスとテクノロジーの研究を行っています。私たちが研究をするうえで大切にしている言葉に『無用之用』と言うものがあります。荘子の言葉で、一見無用とされているものが実はとても大切な役割を担っているというものです。

ここで、『無』を『空間』と読みかえると、何でもない立方体も、その枠内は何もない空隙ではなく、機能の宝庫であると考えられます。人に置き換えると、一見無用と思われる人物であっても、いつか何かの役に立つのではないかと考えることもできます。私もこの言葉に何度も励まされましたよ。

パルテノン神殿のような柱と屋根だけの建物に、私たちの作成している物質は非常によく似ています。神殿を10億分の1の、ナノメートルサイズにしたも のが多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer:PCP）と呼んでいるものだと思ってください。神殿の中にあった空間がこのナノサイズの世界 では空気中のガス分子、芳香剤の分子といったものと近いサイズになります。

この空間のサイズや、空間を構成する骨組みの性質をコントロールすること により、この空間へ大量のガスを取り込んだり、特定のガスのみを取り込む、といったことが可能になるのです。例えばトイレに置くと、臭いの分子だけを取り込むということが出来、身の回りに非常に役に立つ材料になっていくわけです。

おもちゃの棒状や球状のマグネットを組み合わせてジャングルジムのようなもの作った経験はありませんか？そのおもちゃのマグネットをイメージしてみてください。おもちゃで言う球状や棒状になるようなものを、溶液の中に混ぜると、たちどころに規則的で均一なジャングルジムのような物質ができあがっていくのです。これが私たちの研究している物質の合成方法です。こういった方法をボトムアップ法といいます。

こうしてできた物質は、熱力学的にも安定で室温でも壊れませんし、原理的には100％の収率で得られます。さらに室温から200℃程度で合成できる、つまり低エネルギー合成が可能だという点も大事な特徴のひとつです。こうしてできた物質は多孔性配位高分子（PCP）や金属-有機骨格体（MOF）と呼ばれ、実際には金属イオンと有機分子の配位結合でできた金属錯体がつらなってできています。さまざまな金属イオンや配位子組合わせることによって、私たちはさらにその空間を機能化させることができます。

PCPの特徴は、まずデザインできるということが言えますね。これまでも多孔性材料としてゼオライト、活性炭が活用されていましたが、1gあたりの表面積を比較すると、ゼオライトは500㎡、活性炭は2500㎡。しかし私たちのPCPはデザイン性を生かして7000㎡にも及ぶものがあります。これはサッカー競技場の2倍弱程度の面積で、とてつもない内部表面積が存在することを意味します。

このことを利用すると、常温環境下で、空気から窒素や二酸化炭素、酸素を効率的に分離し、貯蔵、変換まで行うことが出来、さらに世界に平等に存在する空気を資源とする技術、大量に存在するメタンを用いるサイエンスは石油に代わる革命的な技術になり得ます。そうした研究も今後の研究の大きな流れの一つですね。

◆新規材料を探索するなら、マイクロウェーブは必須！

─ 実用化につながる素晴らしい研究ですね。そうした中、なぜマイクロウェーブ合成装置を導入されたのでしょうか？

樋口先生：
当時、ちょうどマイクロウェーブを利用したPCPの合成が報告されはじめていました。我々のグループでも新規材料の合成手法の一つとして、導入することにしました。

─ 導入される際、他社製品は検討されましたか？

樋口先生：
もちろん色々な装置を見ましたが、バイオタージのものが使い勝手がよかったですね。ユーザーインターフェイスがしっかりしていました。

◆オートサンプラーで朝には合成が完了 【　Initiator+ Sixty　】

─ Initiator+ Sixtyを使っていただいて、具体的にどのような部分に良さを実感されていま すか？

樋口先生：
とにかく熱の伝わり方が全く違いますね。瞬間合成に近いです。通常のオイルバスだと2、3日かかるところを5分で合成できたりもします。

梶原さん：
そして非常に使いやすいですね。たとえば金属イオンに有機分子を配位させるとき、横に配位する物と縦に配位する物とで２種類の有機配位子を使うのですが、横に配位する物と縦に配位する物とで、配位の速度が違ってきます。そのため反応温度や、溶媒の種類によってできるものが変わってきます。この温度でしかできない、この濃度でしか出来ない物があるのです。

そのため、色々な条件でたくさんのサンプルを反応させ、それぞれどういった機能があるかをみつけていかなければいけません。私たちのInitiator+にはオートサンプラーがついていますから、そういった多検体を1本ずつ、少しずつ温度条件を変えて反応させることが出来ます。

─ オートサンプラーならではの利点ですね。

梶原さん：
そうですね。さらにオートサンプラーがあれば、バイアルを並べておいて夜にセットして帰宅できます。朝、来てみたら合成がすべて終わっています。1から60まですべて設定を変えることができますから、様々な化合物が実験室にいない間に合成出来ているのはとても助かります。朝から物質の評価が始められますからね。

また、このPCP を大量に合成したい、という場合にもオートサンプラーは便利です。同じ条件で何本も設定しておけばよいので。量にも種類にも対応できる点がいいですね。

─ 熱をかけずにPCPをつくることもあるのでしょうか？

梶原さん：
物にもよりますが、室温で金属と有機配位子を混ぜるだけで勝手に出来てしまうような物質もあります。

─ 熱が必要な化合物と必要ではない化合物とは割合はどのくらいなのでしょうか？

梶原さん：
はっきりとはいい切れませんが、全体として熱をかける方が多いと思います。その証拠にInitiator+ Sixtyの稼働率は高いですからね。

◆スピーディーに新しいモノづくりを！

─ フラッシュ自動精製装置Isoleraもご使用いただいていますが、研究のどの部分で活用されているのでしょうか？PCP合成自体は収率が原理的に100％と、精製の出番はなさそうですが……

樋口先生：
PCPをつくる際、先ほど説明したように金属イオンと有機分子を混ぜて合成します。この有機分子の部分が非常に重要なのです。新しい物質、新しい機能をもった物質を合成していく上では、市販品の有機分子だけを使っていては、開発に限界があります。金属イオンとデザインした有機合成分子を組み合わせれば、無限の物質展開が可能ですからね。そこで有機分子の合成を行なう必要がでてくるわけです。

─ 有機分子の合成後の精製にIsoleraが活躍するのですね。

樋口先生：
そうです。使い始めたきっかけは研究の競争の激化です。いろいろな物質が開発されている中、私たちもより多くの新しい物質を開発したい、そのためには精製をスピーディーに確実に行いたい。そうした環境で、Isoleraは非常にパワフルに活躍しています。

◆ブルーの明るい色のデザインが魅力、私も明るくありたい

樋口先生：
そして使い勝手がいいのはもちろんですが、デザインも非常に大切なんです。もちろん充分な機能が備わった上での話ですが、同じ機能をもっていたとするならデザインの良い方を選びたいと思っていますね。バイオタージ製品はいいですね。フォルムが洗練されています。

─ サイエンス、テクノロジーで革新的なご研究をされているからこその視点ですね。

樋口先生：
デザインに着目することは大事ですよ。美しいデザインに美しい機能が備わるのです。私たちの研究も同じではないでしょうか。ただ、美しくないデザインにも美しい機能が備っている場合があり、この点は要注意ですね。

また色やその環境で、インスピレーションが沸きますし、クリエイティビティーが上がりますから、デザインは非常に重要です。あの色は研究室を明るくもしますね。私自身も美しく明るくありたいと思い、メガネ、ジャケット、ストラップなどを青色にして参りました。ハハハ、ハハハ、とりあえず明るく笑っておきますね。

─ インタビュー続けさせていただきますね。だからここの建物も研究室もとてもキレイな創りなんですね。弊社もデザインにこだわっていて良かったです。超高速フラッシュ自動精製ソフトウェアへのアップグレードはされていますでしょうか？

梶原さん：
最近ソフトをアップグレードしてもらいました。早くなったという実感がありますね。

─ フラッシュカートリッジもお役に立てていますか？

梶原さん：
SNAP Ultraを使っていますが、こちらも効率は良いですね。1回でたくさんの量が精製できる点が良いです。

◆高沸点溶媒を濃縮する時、V-10はパワフル

─ V-10はどのような時にお使いいただいてますか？

梶原さん：
PCP合成には溶媒に水やＤＭＦを使うことが多いので、その濃縮にV-10を使用してい ます。V-10は非常にパワフルですね。普通のロータリーエバポレーターではかなり濃縮が大変です。 だいぶ温度をかけないといけません。V-10だとせいぜい４０℃くらい、時間も短時間で済みます。

◆バイアルサイズを増やせば便利

─ 様々な装置がご研究のお役にたてて光栄です。何かご要望はございますか？

梶原さん：
Initiator+ Sixtyの反応容器は4種類ありますが、5mLから10mLの間が抜けていることですね。5か10のどちらかに合わせて実験しますが、その間もあればなおいいですね。また20mL以上のバイアルもあるといいですね。20のものを複数並べてオートで次々実験できるのでそれほど困らないのですが、あればいいと思います。

V-10の場合もバイアルの種類がもう何種類かあったらいいなと思います。

Isoleraでは、溶媒の残量をセンサーで見れるといいですね。今は満タンにしたら、そこからの計算で残量がわかりますが、センサーのようなもので実際の量を感知してくれるといいですね。

─ 今後のご予定をお聞かせください。

樋口先生：
PCPの研究では世界的に実用化に向けた研究も活発になってきています。我々の生活環境でも使える物質、つまり水に触れても安定な物質です。最近、水を弾く機能のある超撥水性PCPを開発し発表させて頂きましたが、予想以上の反響で、多くの問合せを頂きました。今後はさらに過酷な環境でも安定なPCPが開発されていくのではないかと思います。

科学の歴史でいうと活性炭は今、3600歳くらいになるそうです。ゼオライトは260歳くらい。PCPはまだ18歳。大長老と中堅と若造です。PCPはまだまだ発展の余地のある分野なのです。20歳の成人になる頃には、皆さんの身の周りのどこかで、お役に立っている立派な材料になってくれることを願っています。

─ 本日はお忙しい中、誠にありがとうございました。

記事掲載日：2015年2月3日
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