TSUKUBA FUTURE #113：やわらかな物質が見せてくれる美しい世界
数理物質系 菱田 真史 助教
細胞膜の基本構成要素である脂質。水との馴染みが良い部分とそうでない部分との、二重膜構造になっています。水と馴染まない部分を内側に向け、袋状になったものが細胞です。その中に、核やDNAなどが入っているわけです。ヒトの体のおよそ60%が水だと言われていますが、細胞膜が裏返しになっていたら、人体を構成することはできないのです。ところが、脂質自体の物理的・化学的な性質や機能は研究されているものの、それが水中で自然と膜や細胞の構造を形作る（自己組織化）仕組みについては、あまりよくわかっていません。菱田さんは、脂質や界面活性剤、ポリマーなどのやわらかい物質（ソフトマター）が自己組織化するメカニズムを研究しています。中でも最近は、溶媒である水の役割を探っています。これは、生命にはなぜ水が重要かといった問いにも深く関わっています。
やわらかい、ということは分子間の結合が弱いことを意味しています。脂質膜も、分子同士が直接結合しているわけではなく、水を避けるようにして分子が規則的に並んでいるだけです。それなのに、膜としての強度はなかなかのもの。水があるだけで、そんな強度を発揮するのは不思議です。単純でありふれた物質である水が、何らかの重要な働きをしているはずです。とは言え、水分子そのものの挙動を観察することは実はとても難しく、研究手法も限られています。そのため、ここにチャレンジする研究者も多くはありません。そこで菱田さんは、「遠赤外線テラヘルツ分光法」というちょっと特殊な方法を使って、水分子一つひとつのミクロの動きを把握し、そこに溶けている脂質膜などの構造にどう関わっているかを調べています。
やわらかな物質の作る構造や動きは不可思議で、ずっと眺めていても飽きることがない
分光法というのは、物質に光を当て、その吸収から物質の性質を調べる方法です。物質の特徴や調べたい性質に応じて、様々な光（波長）を使い分けます。テラヘルツ分光法は、遠赤外線領域の波長を持つ電磁波であるテラヘルツ波を用います。ただしこの方法では、ピークのはっきりしない曖昧なデータしか得られません。いろいろな理論を当てはめ、ピークの成分を分解することが必要です。そのためのプログラミングや装置のカスタマイズも自分で開発しなければなりません。そういった解析技術が菱田さんの専門。腕の見せ所です。
研究には、分光法の他にも様々な手法を用いています。顕微鏡で、膜の形ややわらかさを直接観察することもできますし、X線や中性子線を照射して、ナノメートルスケールの構造を調べたり、温度を変化させた時の構造の変化を見たりする場合もあります。そういったデータを総合的に解析し、膜と水との間で何が起こっているのかを探っていきます。ソフトマターは、化学構造が似ていても、周囲の状態が違うと、強度や吸着性など全く異なる機能を発現することがあります。やわらかいからこそ、構造や性質を複雑に変化させるのです。
顕微鏡で膜の挙動を見ていると、とても美しい色や形が現れ、熱などのちょっとした刺激で目まぐるしく変化したりします。それはいつまででも眺めていられる美しさだと、菱田さんは言います。その美しさを研究とは別の形でも表現したいと、アート作品の制作にも取り組んでいます。時には一人で、時にはアーティストやエンジニアたちとチームを組んで、映像やインスタレーション作品を作ります。数年前にある芸術祭のコンペに出品したことをきっかけに、以来、あちこちの芸術祭や展覧会に作品を出展しています。そういった展示では、実験室でいつも使っている試薬などを気軽に使うことはできませんから、限られた材料や空間で表現する苦労もあります。それでも、普段の研究ではめったに出会うことのないフィールドの人たちや観客から意外な反応が返ってきたりして、それが新たな発見となり、研究にも生かされます。
茨城県北芸術祭2016に出展した「干渉する浮遊体」。
シャボン玉も膜。その美しい色（構造色）をじっくり眺められるよう、空中に浮かせる工夫を施した。
他のアート作品（写真・動画）も自身のホームページで公開中
たくさんの実験をして、様々な情報から一つのことを理解する。それが菱田さんの得意とする研究スタイルです。研究室にある装置だけでなく、いろいろな実験手法を駆使して、膜と水との本質に迫っていきたいと考えています。特定の物質や機能に狙いを定めずに、純粋にやわらかな物質たちが作る美しく面白い構造を知り、またそのでき方を知りたい、これが一番のモチベーションです。膜を中心に、物理、化学、生物、芸術、たくさんの分野への興味が広がります。
文責：広報室 サイエンスコミュニケーター
