慶應理工の柔軟な二次元材料の化学 分子を動かして機能させるための柔軟な材料設計を求めて

柔軟な二次元材料の構造と機能を追究

研究の世界でも、思いがけず幸運な発見をすることを「セレンディピティ」と呼ぶ。化学でも、失敗した実験の結果から予想外の有用なデータや知見を得ることがある。応用化学科の緒明さんは、「約20年間研究をしてきて、2回セレンディピティと呼べるような体験をしました。それをきっかけに研究の方向性は大きく変わりました」と話し、今から10年ほど前に、「思わぬ発見」をすることになった真っ黒なサンプル瓶を見せてくださった（図1 左）。
大学の研究室では、教授や准教授などの教員のもとで学生たちが研究を行う。教員と学生は議論して研究の方向性や方法を決めるが、実際に実験を行うのは学生たちだ。緒明さんは、学生が実験する様子やできた試料を見て議論するのが好きだ。その日は、硝酸鉄の樹枝状結晶を電気回路に応用するため、結晶表面に導電性高分子をコーティングする実験を行っていた学生のことが気になって話していた。すると、彼は実験に失敗したからといって、真っ黒なサンプル瓶を実験廃棄物用のゴミ箱に捨てた。
「ガラス瓶は、普通の汚れであれば洗えば落ちるので再利用するように注意しました。ところが逆に、『落ちないのです』と言われたのです。ガラス瓶にこれほど黒く均一に強く付着する物質が生成するはずがない実験だったので、何か面白いことかもしれないと直感的に思いました」と緒明さん。
直感に従って黒い物質を調べてみると、硝酸鉄の結晶表面にできるはずのポリピロールの膜が、瓶の内壁全面にも付着していた。「ピロール（図参照）が連なったポリピロールは、共役高分子といわれる二重結合と単結合とが交互に連なった高分子です。化学構造が剛直なため溶媒に溶けません。つまり塗ってコーティングすることができないのです。そのため、共役高分子は導電性や耐熱性、酸化還元活性などの機能をもつものが多いのに、応用しにくくなっています。ところがこの失敗実験は、簡便に様々な基板や基材表面に共役高分子をコーティングできることを示していたのです」と、黒いサンプル瓶が失敗ではなく発見であることを説明された。

応用するには、ポリピロール膜を簡単にコーティングできればいいというものではない。その性質が問われる。最初にできた膜は導電性が十分ではなかったが、この問題は、膜形成の際にピロールと組み合わせる酸化剤（ベンゾキノン誘導体）の強さを変えることで解決した。「これで研究は一段落と思ったら、今度は逆に学生から『ピロールと置換基なしのベンゾキノンの組み合わせでも重合して膜をつくってみます』と言われました。私の化学的知見では『酸化力が足りず反応は進まないよ』と話したのですが、学生が知らないうちに実験をしていました」。
その結果、ピロールとベンゾキノンがランダムなネットワークを形成し、それがゆるく積層した新しい高分子材料をつくることに成功した（図1右）。この物質は簡単に剥離して薄いナノシートが得られるだけでなく、ナノシートには電気化学的にプロトン（H＋）を水素（H2）にする触媒作用があることがわかった。現在、水素は二酸化炭素を発生しないエネルギー源として注目されているが、現状では、その製造に白金触媒が必要なため、どうしてもコストや資源の問題が伴う。しかし、このナノシートはメタルフリー（金属資源を含まない）な有機化合物であり、こうした問題を解決できるだろうと注目されている。
２つの出来事について緒明さんはセレンディピティだったというが、幸運を生かすことができたのは、深い洞察力と化学の知識、そして学生の意見にも耳を傾け、常識にとらわれずに挑戦し続ける姿勢があったからだと話から伺える。

こうして、共役高分子を中心とした研究が始まった。その方針は、一般に剛直とされる共役高分子に何らかの化学的な方法で柔軟性（分子の動きやすさ）を与え、層状構造やナノシートといった二次元材料になるようにして、それに機能をもたせようというものだ。だから緒明さんは、「まずは物質づくりを楽しむことが重要で、どんな機能が発揮されるかは後からついてくる」と考えている。前出のポリピロールとベンゾキノンからできた二次元材料も、それをつくったことが重要で、たまたま水素を発生させる触媒作用をもっていたともいえる。
同様の研究方針に沿って、熱や光、力を定量的に検出するセンサー材料の開発も進めている（図2上）。層状に並んだジアセチレン分子に紫外線を照射すると、三重結合の部分が互いに重合して青色になる。このポリジアセチレンに熱や力、光などの刺激を与えると、分子鎖がねじれるなど、構造に微妙な変化が起こって色が変わる。層の間に入れる物質を工夫することで、刺激への応答性を調節できる点に特徴がある。これを応用して開発した材料の中には、ブラッシング程度の摩擦力によって色が変わるものがあり、適切な歯ブラシのブラッシング力が色でわかるようなセンサーをつくることができる。

材料づくりを大切に考える緒明さんは、2016年から「マテリアルズインフォマティクス（MI）」を導入している（図2下）。材料（マテリアル）の研究に情報学（インフォマティクス）を活用しようというもので、研究開発を加速させるといわれている。具体的には人工知能に材料に関するデータをたくさん学ばせ、新物質の発見や性能の向上に必要な因子を見つけさせるのだ。ただ、多くの場合、人工知能が何を行ったのかわからなくなってしまう点が問題視されている。
緒明さんは、人工知能が重要だと提示した因子を、自らの化学的知見に基づいて正しいかどうかを判断することでこのブラックボックス化が起こらないように努めている。「やはり要所では研究者が主導することが重要です。人工知能でできることは意外に多いので、上手に活用することです」。
緒明さんの洞察力が人工知能の助けを得てどこまで研ぎ澄まされるか、次の「思わぬ発見」が楽しみだ。

小さい頃どんなふうに過ごしていたのか、あまりよく覚えていないのです。最近、実家の片付けをした際に小学校の頃の成績表を見つけて、そこに「落ち着きがない」と書かれていたので「そうだったんだぁ」と気付かされたほどです。
中学・高校では、吹奏楽部でフルートをやっていたのはよく覚えています。母が音楽関係だったことの影響もあったと思いますが、部活動には夢中になりました。小さい頃にピアノをやらされたことが嫌だったのを考えると、フルートは自分で選んだものだったから頑張れたのだと思います。
関東大会を目指して仲間と頑張ったことは非常に良い思い出になっています。今から考えれば昭和の根性論だったようにも思いますが、めげない精神が身に付きましたし、顧問の先生はたいへん厳しい方で、礼儀や人間関係、チームワークなどについても教えてもらいました。卒業してから先生のところに挨拶に行かなくてはとずっと思っているのですが…。いま行ったら、「遅い！」と怒られそうです（笑）。

いろいろ迷った時期もありました。実は、大学受験の頃は、物理、化学、機械などのどの分野に進むか決められませんでした。慶應義塾にしたのは、2年生への進級時までに専門を決めればよかったからです。途中、医学部に行きたいと思ったこともありましたし、修士2年生の時には就職を考えました。ただ、いざ就職ということになったら、「まだ研究をやり切っていない」という気持ちが芽生えてきて博士課程に進むことにしました。中高の吹奏楽部の顧問の先生に「上を目指す」ように言われ続けてきたので、やれることを残したまま大学を卒業することがどうしてもできませんでした。

私は部屋に戻るときにフラッと学生のところに寄ったりします。“うるさいな” と思われているかもしれませんが、私は学生が実験する様子やその試料を見るのが、あたかも自分が実験しているみたいで楽しいのです。しかも教員は、実験データが正しく取れているか、何か困っていることがないか、安全に実験できているかといったことに注意を払う必要があって、そのためには現場の実験をなるべく見ていなければならないと思っています。
学生のことは「国内外で一流の研究を楽しくしよう」という同じ目標をもつ“仕事仲間”だと思っています。ですから私もわからないことはわからないと正直に伝えますし、良くないことをすれば良くないと言いますし、良い取り組みは褒めます。研究とは関係ない話もし、あまり上下の関係をつくらないように、普通に接しています。
そして何よりも、自主的に興味を持って楽しんで研究に取り組んでほしい。そのために“その気” にさせるのが教員の役割だとも思っています。その気になる時期やきっかけは個々の学生によってまちまちですが、その気になると私の想像以上の進展があります。

研究紹介で話したように、学生が捨てた真っ黒なサンプル瓶から現在の共役高分子の研究が生まれましたし、やる必要はないのでは？といった実験を学生が行ったことで新しい材料を発見しました。私も学生から刺激を受けており、「思わぬ発見」を一緒に経験してきました。その結果として、10年ほど前に自分の発見をもとにした研究内容に大きく変えようと思ったのです。
こういう過去の出来事を今の学生に話しているので、実験中に変わったことが起きると学生の方からサンプルを見せにきたりします。「思わぬ発見」はそうそうありませんが、20個ほどの報告があれば1つくらいは面白いものがあります。思ったような結果にならないと失敗扱いになりがちですが、そういうときこそ、どうしたらうまくいくのかということはもちろん、視点を変えれば新しくないのか、予想外であったことはないのか、を考えてほしいと思います。もし「思わぬ発見」ができたら、「今これを知っているのは世界でも私たちだけかもしれない！」と思ってワクワクしますよね。
研究内容を変えたのには、もう１つ理由がありました。ちょうどその頃、何名かの研究者に「君の最近の研究には花がない」「博士課程のテーマと違うことをやれ」「～だからできることをやるべき」と言われたのです。これをきっかけに、やはり「研究は自分の発見をもとに切り拓いて楽しもう」と思うようになり、この方法だから合成できる材料、この材料だから実現できる機能を目指し、独自性のある研究に転換したいと考えていたのです。

出版される論文の数や内容からわかることですが、研究の現場にいる者の感覚としては、驚異的なスピードとパワーで中国をはじめとした海外の研究開発力が高まっています。このままでは日本は大きな差をつけられてしまうのではないかと、危機感をもっています。年齢や職種を問わず、より多くの人に化学の楽しさを知ってもらって、この分野が活性化することを願っています。

そうですが、何も特別なことはしていません。よく「研究と教育は同じかそれとも違うのか」という議論が行われますが、私は同じだと考えているからです。学生と一緒に研究をしていれば、それが自然と教育につながっていきます。
最近は、他分野との学際的な共同研究が多いため、自分ひとりで研究できることは少なくて共同研究者がいます。初めは専門用語も全く通じない他分野の研究者とどのように交流するか、どのように共同で楽しく研究して最大限の成果を得るか、研究者としてさらには人としてのコミュニケーションの取り方も学んでほしいと思っています。

各学部とも規模が大きいとはいえませんが、最近はそれがちょうどいいと思っています。規模は大きいほど有利だと考えていたこともありましたが、ある時、医学部の先生と話をする機会を得て、こんなに気軽に他分野の先生と話ができるのは慶應義塾が大きすぎないからであることと、一体感があるからだと気付いたのです。
この恵まれた環境を、研究に大いに利用していきたいし、利用してほしいと思っています。