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TSUKUBA FRONTIER

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#003:ひとつの分子が世界を帰る ~基礎化学はチャンスに満ちた世界~

#003 
ひとつの分子が世界を帰る ~基礎化学はチャンスに満ちた世界~

数理物質系 関口 章(せきぐち あきら)教授

1952年 群馬県生まれ
1974年 群馬大学工学部応用化学科卒業
1978年 筑波大学研究協力部研究協力課文部技官
1981年 筑波大学化学系助手(理学博士)
1985年 米国ウィスコンシン大学化学科博士研究員
1987年 東北大学理学部助教授
1996年 筑波大学化学系教授
2004年 筑波大学大学院数理物質科学研究科教授
2011年 筑波大学数理物質系・科学域教授、同大学大学院数理物質科学研究科、学際物質科学研究センター教授
2012年 ケイ素化学協会会長

[主な受賞]
IBM科学賞・フンポルト賞・アメリカ化学会賞・日本化学会賞


実はとても身近な元素、ケイ素

 地球の表層部、つまり生物の生活圏内で一番多い元素は酸素、次がケイ素です。地殻を構成する岩石の主成分はケイ素で、酸素と結合した状態で存在しています。人類は岩石を使って道具を作り発展してきました。そう考えると、人間とケイ素は人類誕生以来の長い付き合いだといえます。
 しかし、人間がケイ素を本当に有効な形で使えるようになったのはほんの100年ほど前。ケイ素と酸素の結合が非常に強く、それを絶つことが難しかったためです。ケイ素を単結晶として得る方法が確立され、多様な有機ケイ素化合物が合成できるようになって加速的に応用が広がり、今では太陽光発電やスペースシャトル、スポーツウェア、建築材料、エレクトロニクスなど、あらゆる用途で利用され、私たちの生活を豊かにしています。

23年かかったケイ素ーケイ素三重結合

 元素周期表を見ると、ケイ素は炭素と同じ族(第14族元素)です。一般に、同族の元素はよく似た化学的性質を持っていますが、ケイ素と炭素は全く異なる挙動を示します。そのひとつが多重結合の生成。炭素の場合は、炭素同士で二重結合や三重結合をつくり、エチレンやアセチレンができます。しかしケイ素は原子半径が大きく結合距離が長いことから、多重結合は形成できないというのが常識でした。  ところが1981年にアメリカで、ケイ素同士の二重結合が合成されるという大きなブレークスルーがありました。これが、ケイ素同士の三重結合(ジシリン)実現への挑戦を始めるきっかけです。三重結合は、高分子や環状化合物など、さまざまな化合物を合成するための出発となる化学結合です。そこにケイ素が含まれることで、新しい材料開発の可能性が格段に広がります。
 この研究が実を結んだのは23年後、2003年のクリスマスのことでした。それまで、アセチレンに見られるように、多重結合における原子間の電子分布は対称的であると考えられていましたが、むしろその方が稀であって、本来は非対称であるという概念を初めて提唱し、実際に、安定なジシリンの合成に成功、実験的にこの概念を証明したのです。

化学の歴史に名を刻む

 ジシリン合成のニュースは、従来の化学結合論を完全に覆すものとして、サイエンス誌や化学の専門誌はもとより、ニューヨークタイムズなどの一般紙も含めて世界中に伝えられました。この業績は化学の教科書を書き換えました。その中でもよく知られている「Organometalics」(Wiley-VCH発行、2006年版)では化学年表にも記載され、化学研究の歴史に新たなマイルストーンを築きました。
 科学の進歩や新たな発見によって教科書が書き換わることはあり得ないことではありません。しかし、化学結合のような基本的な概念が変わるというのは、それに関連する研究すべてに影響を及ぼすわけですから、とても重大な出来事です。

新タイプの蓄電池ヘ

 研究生活のほとんどの時間をつぎ込んだジシリン合成の研究では、その過程でも重要な研究成果が生まれています。ゲルマニウムやケイ素のカチオン(陽イオン)を合成したことです。これらも1980年代から存在の可能性が盛んに議論されていましたが、この研究が1997年にサイエンス誌に掲載され、論争に終止符が打たれました。
 カチオンが電子1個を受け取るとラジカルに、ラジカルが電子1個を受け取るとアニオン(陰イオン)になります。ケイ素の場合、この反応は電子のやりとりによって容易に、しかも可逆的に起こり、それぞれの状態が安定的に存在できます。そこで現在は、企業と共同で、この性質を利用した蓄電池(ラジカル電池)の開発に取り組んでいます。
 パソコンやハイブリッド車などに使われるリチウムイオン電池は、長時間使用ができる反面、出力を上げると発火の危険があります。一方、ケイ素ラジカル電池は電子の移動だけで反応が進むので充電が速く、安全に大出力が得られることから、新しいタイプの蓄電池として期待されています。

大学は「共育」の場

 甚礎化学の魅力は、たったひとつの分子で世界を変えられること。そのチャンスは誰にでもあります。今までなかったものをつくる。ナイロンやポリアセチレンがそうだったように、そこから無限の応用が拓け、飛躍的な技術革新がもたらされるのも夢ではないのです。
 しかしひとりでそれを実現することはできません。先述の蓄電池開発もそうですが、甚礎研究に携わる人こそ、その成果を活用できる分野の人々とのコラボレーションが大切です。化学そのものの学問的な面白さもありますが、自分の研究フィールドだけに閉じてしまうと、新しい知識や考え方に触れることができず、貴重なチャンスを見逃してしまいます。
 その意味では学生の力も不可欠です。同じ研究者として学生から学ぶこともたくさんあります。大学は教員と学生が共に成長する場所。「教育」ではなく「共育」だと考えています。ひとつだけ学生にアドバイスするとすれば、教科書に書いてあることがすべてではないということ。それはいつでも覆る可能性があるのです。


 

(文責:広報室 サイエンスコミュニケーター)


(2017.6.8更新)

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