TAGEN FOREFRONT 08

多元研
KUMIGASHIRA, Hiroshi
OMATA, Takahisa
K ASAI, Hitoshi
HIBARA, Akihide
MIZUKAMI, Shin
YIN, Shu
MURAMATSU, Atsushi

東北大学

最前線

多元物質科学研究所

いま持続可能な社会づくりへ
IMRAM-東北大学多元物質科学研究所
環境問題、エネルギー問題、地球温暖化…。我々は今、地球規模で解決しなければいけない問題に直面しています。
東北大学多元物質科学研究所は、まさにこれらの問題を解決し、持続可能社会を実現することを目指しています。
将来世代へ負の遺産を残さない「持続可能な社会（Sustainable Society）」の実現。
積み重ねる様々な研究により、少しずつ未来へ歩みを進めていきたいと考えています。

1

TAGEN FOREFRONT東北大学多元物質科学研究所 所長あいさつ

03

FOREFRONT REVIEW

04

先端的な解析・制御技術から
酸化物ナノ機能創成の新たな未来へ
組頭 広志 教授

05

社会の仕組みを変える力を持つ材料
その開発への道筋を探求する
小俣 孝久 教授11

独自の「有機ナノ結晶」の創製技術から新しい薬剤開発の可能性を拓く
笠井 均 教授17

火原 彰秀 教授23

水上 進 教授29

殷 澍 教授35

村松 淳司 教授

41

社会とシームレスにつながる
ナノ・マイクロ分析法の礎を築く
センシング技術の開発とともに生きた細胞の機能に迫る
ソフトケミカルプロセスによる機能性環境応答材料の創製
身近な生活の中の探求から最先端ナノ材料のサイエンスへ

多元物質科学研究所が推進する研究

47

編集後記

50

TAGEN FOREFRONT 2

多 元の可 能 性が
新 しい世 界 を 拓 く

東北大学多元物質科学研究所 所長

村松 淳司
MURAMATSU, Atsushi

東北大学 多元物質科学研究所（以下、多元研）は、材料までの垂直方向、そして無機、有機、バイオなどあら従来の区別にとらわれない、物質・材料を含む、あらゆ

ゆる物質・材料を含む水平方向の両機軸を、ハイブリッド

る“もの”を多元的に研究する、特徴ある研究所としてにカバーした、独創的で斬新な研究が、数多く行われて2001年4月に誕生しました。19年が経過し、おかげさまいます。そうした多元研の研究者の横顔をシリーズで紹で、一般社会に次第に認知されつつありますが、その介する「TAGEN FOREFRONT」では、今回も最先端

礎は、創立1941年以来受け継がれる、選鉱製錬研究所

研究の一端に触れていただけます。

（素材工学研究所）、科学計測研究所、非水溶液化学

2011年3月の東日本大震災から9年が経過しました。

研究所（反応化学研究所）のスピリットであり、間もなく多元研は物質・材料における東北復興への貢献と、未来80年を迎える伝統の力を、ひしひしと感じます。先人たちを背負う新進気鋭の優秀な研究者の輩出を、今後も積が切り開いてきた多くの研究分野と、輝かしい研究成果極的に担い続けます。

が、漏れることなく、多元研に引き継がれており、過去から

多元研ブランドの浸透を目指す「TEAM TAGEN」

未来への時間軸の中で、研究所のあちらこちらで、時空も、教職員、研究者、学生らが一丸となって、さらに展開を超えて融合していく姿を見ることができます。

していきます。

研究所内だけでなく、東北大学内外との連携や交流

今後とも、変わらぬも活発であり、
キャンパス内に建設が予定されている次ご支援を賜りますよう

世代放射光施設の実現や利活用に向けた活動の一

どうぞ 宜しくお 願 い

翼を担っています。理学、工学、医学、生命科学、農学といたします。

いった幅広い分野の研究者とのグローバルな連携により、新たな研究シーズの誕生も期待されています。
日々刻々と成長していく多元研では、資源から最先端

3

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 4

FOREFRONT REVIEW

多 元 物 質 科 学 研 究 所、 組 頭 広 志 教 授 の 研 究 室 は、

2018 年 4 月に開設されました。当研究室では、酸化物などからナノ構造を「つくる」 技術とともに、ナノ領域で発現する電子・化学状態を「みる」 技術とを高いレベルで融合することで、新たな機能をもつナノ物質の創製を目指しています。このため２つの技術を組み合わせた複合装置を開発し、先駆的な発見への取り組みを進めています。

5

TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

01

先端的な解析・制御技術から
酸化物ナノ機能創成の新たな未来へ
性質が一変したり、多彩な物理現象を示したり、何が起こるか予測しがたい酸化物の物性研究において、酸化物を原子レベルで制御して「つくり」その中の電子の振る舞いを放射光を用いた先端計測技術を使って「みる」ことができれば、新しい機能の探索と発見への道筋により確かな明かりを照すことができるはず。そうした組頭教授の研究アプローチのあり方は、
これまでそれぞれの段階でひとつひ
とつ模索と検証を積み重ね、歩みを進めてきた研究キャリアに深く根差しているように思われます。
東北大学において理学研究科物理学専攻で博士号を取得して、研究者としての道をスタート。学生時代は、計測装置の開発と、開発した装置を用いた試料の分光測定・解析に携わりました。あるとき、結晶作製を自ら行う機会があり、「きらきらと光る単結晶をつくったときは感激した、
また自分でつくった試料で面白い結果が得られたときの多元物質科学研究所
有機・生命科学研究部門
ナノ機能物性化学研究分野

教授

組頭
広志
KUMIGASHIRA , Hiroshi

1972年福井県生まれ。1995年東北大学理学部物理学科卒業、2000年同理学研究科物理学専攻博士後期課程修了（理学博士）。2001年
東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻助手、2004年同講師、2007年同助教授、2007年
同准教授、2011年高エネルギー加速器研究機構

喜びが格別だった」といいます。
ものづくりの面白さに惹かれ、さらに踏み込んで計測結果に基づいて物質を設計するのが面白そうだと感じて、化学の分野に進みました。東京大学工学部応用化学科の時代には、酸化物薄膜を作製する装置と東北大学で培っていた光電子分光装置とを組み合わせた研究に取り組みます。
さらに放射光実験の最先端施設、高エネル
ギー加速器研究機構（ＫＥＫ）
フォトンファクトリー
（ＰＦ）では、測定技術の追求とともに装置開発に携わり、強相関電子に関わる世界初の実証を達成。
その後の研究飛躍への大きな基盤となりました。
そして現在、東北大学多元物質科学研究所において、組頭教授
はさまざまな自作装置と拠点施設とを自在に使いながら、新しい物理
化学概念の発見や応用につながる研究のブレークスルーを目指す
追求を続けています。

（KEK）
物質構造科学研究所教授、2013年東北大学大学院理学研究科物理学専攻委嘱教授（併任）、2018年KEK物質構造科学研究所特別教授（併任）、東北大学多元物質科学研究所教授。
所属団体／日本放射光学会 評議員、応用物理学会 機能性酸化物グループ幹事。受賞／第３回
日本物理学会若手奨励賞など。
http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/kumigashira/html/index.html

TAGEN FOREFRONT 6

FOREFRONT REVIEW

酸化物は高温超伝導や01

金 属・絶 縁 体 転 移など多彩な物理現象を示すことで知られています。

ナノ構造を自在に設計し、新しい機能物質を創造する
興味深い振る舞いを見せる
遷移金属酸化物の電子台として求められているのは、
ただの酸化

たり、多彩な機能物性を示すことで知られています。

劇的な性質の変化が期待される強相関電子系

物ではありません。組頭教授は「関心が1986年に発見されノーベル賞の対象

組頭研究室の研究領域では「酸化物あるのは、天才的な振る舞いを見せる電となった高温超伝導は、銅酸化物によるをナノ構造化することにより、さらなる多機子を持つ特定の酸化物」と話します。

ものでした。
これ以降、電気伝導性を持

能性や新奇物性の創成を目指す」
ことが

特定の、
というのは主に遷移金属酸化

基本的な目標です。
ガラスや陶磁器など物の群を指します。
これらは、たとえばフェ

酸化物は身の回りにあふれている材料でライトのように磁性体の代表であったり、さまざまな物性を示す遷移金属酸化物

すが、新しい機能性材料をつくり出す土チタン酸化物のように光触媒効果を示しの研究は、化学の中でも電子・スピン・軌道

酸化物量子井戸構造による新規量子物質の開拓

つ遷移金属酸化物について活発な研究が行われています。

ARPESで観測した
V3dt 2g 量子化状態

酸化物ナノ構造により強相関電子の２次元閉じ込めに成功
組頭グループは、電子同士が互いに強く影響し合う状態にある「強相関電子」を2次元空間に人工的に閉じ込める「量子井戸構造」
をつくり出すことに成功。
（※1）当時、組頭広志東京大学大学院工学研究科准教授、吉松公平日本学術振興会特別研究員、尾嶋正治東京大学大学院教授らグループによる共同研究。論文は、2011年7月「Science」に掲載。

時の流れを感じながら、仙台の街歩き
いつもはバスか車で来ますが、たまに帰りは片平の多元研研究室から八幡の自宅まで歩いて帰ります。日によって違う道、違う交差点を通りますが、
だいたい40分から1時間ぐらいかかります。
基本となるルートは片平の正門を出て、裁判所を通り、大町交番から左折して坂をくだります。大橋
を渡り国際センターの前を通って、隅櫓を眺めて川内キャンパス東側の道を北上。美術館の横を通り、また広瀬川を渡ると八幡地区に至ります。
八幡は大崎八幡宮の門前町だったところなので、歴史の面影を残す街角や学生のころからあった
昔ながらの店がまだ続いていたり、逆にすっかり更地になってしまっていたり。東京赴任時代は時々帰る街でしたが、いままた住んでみるとまったく違う感じ方を覚え、仙台再発見の散策となっています。

7

TAGEN FOREFRONTMY FAVORITE

かつて酸化物量子井戸の放射光解析で優れた研究成果をあげた吉松公平さんは、現在東北大学多元研講師
として組頭研究室に所属しています。現在は酸化物薄膜を用いた新奇物性開拓に取り組み、
とくに合成した薄膜に対してさらなるナノ加工・電気化学反応を施すこと
でナノ構造特有の物性開拓を行っています。

TERM INFORMATION
遷移金属酸化物
遷移金属（鉄や銅などの遷移元素：第3族元素から第12元素）を含む酸化物。様々な物性を示すことで知られている。

できなければ、新しい機能の発現に向かう道は開かない」と話します。

す。ふつう金属や半導体の中では、電子困難だった強相関電子のコントロールが可能には自由自在に動き回っています。
これが導「新しい機能物性を自在に制御するた電性の元になっています。
しかし電子がめには、ナノ領域のみに現れる電子の電遷移金属酸化物中のある特定の軌道に荷・スピン・軌道の状態を可視化し、その入ると、電子が互いに反発しあい独特の知見に基づいた物質設計が必要不可

振る舞いを見せるようになります。電子が欠」と組頭教授は解説します。たとえば、互いに強い相関関係を持つことから「強これまでに発見された高温超伝導体は、

相関電子系」と呼んでいます。遷移金属

伝導層と絶縁層が交互に重なった層状酸化物が興味深い性質を示すのは、
このの結晶構造をもち、強相関電子が伝導

強相関電子の働きによるものです。

層に閉じ込められていることがわかって「ほとんどの酸 化 物は単なる絶 縁 体

います。いわば、
自然界に存在するナノで、お世辞にも面白い物質とは言えない構造です。
しかし、人工的に層状構造をのですが、たまに高温超伝導や光触媒作製することで強相関電子を制御するこなどの驚くべき物性を示すものがありまとは困難で、その性質を設計することはす。いわば天才児達です。
もし、
この天才

できていませんでした。

などを扱うため物性物理学に近い領域で児を手なずけることができたら我々の生組頭教授は、2011年に世界で初めて活は一変します」と組頭教授。ただ、問人工的に強相関電子を２次元空間に閉

題は、
この天才児とは往々にして気まま

じ込め、その奇 妙な振る舞いを明らかであるということ。
これらの酸化物では電にすることに成功しています（※1）。
これ子の振る舞いがわずかな刺激によっては、強相関電子のコントロールを可能にし劇的に変化するので、気まぐれに新しいたということを意味します。

性質が生まれる可能性が出てくるというわけです。

量子井戸構造、2次元閉じ込め
数ナノメートル程度の薄膜のヘテロ接合によって電子を閉じ込めた構造のこと。この構造では、電子は薄膜の面の垂直方向に自由に移動できず、特定の離散的なエネルギー状態をとる。これを2次元閉じ込めという。薄膜の厚さを変えたりすることによって新しい機能をもつナノ構造をつくることができる。

成功の鍵となったのは、酸化物の原子一個レベルの非常に薄い層を「つくる」

しかし反面、気ままということはどこに行技術と、放射光による高精度の分光法でくかわからない、何が起きるかわからない

電子を「みる」技術を融合させた組頭教という状態であり、「天才児を自在に制御授の研究アプローチによるものでした。

酸化物を対象として、さまざまな実験などを行う場合に、独自の装置・器具の開発や調整が必要になってきます。
さまざまな装置の開発・自製とともに、
そうした補助器具などの作製や調整も研究室メンバーの大切な仕事となっています。

TAGEN FOREFRONT 8

FOREFRONT REVIEW

01

先端計測の技術開発から新たな機能性ナノ物質の開拓へ

して、新しい機能性ナノ物質の開発を目指す、ということが組頭教授の研究の基盤です。

自作開発の装置とともに内外の施設を自在に活用
多元研の組頭研究室には、主力装置

つくる技術と、みる技術を組み合わせた研究
組頭教授の研究アプローチは、2つの熱蒸発させて、基板表面に付着させ、薄として、その場 光 電 子 分 光＋レーザー

膜を形成します。半導体の結晶成長に

M B E 複 合 装 置 が 設 置されています 。

使われる手法です。

これは東大工学部、
そしてKEK時代に、技 術を高 度に融 合させることが基 本ともう1 つは、高輝度放射光を用いた光

少しずつコツコツと機械を集め、パーツをなっています。1 つは、
分子線エピタキシー

電子分光計測という電子・スピン・軌道

自作加工して、立ち上げた装置だといい（MBE; Molecular Beam Epitaxy）と状態を「みる」技術。加速器によるシンク

ます。KEK-PF時代には、放射光施設のいう酸化物ナノ構造を原子レベルで「つロトロン放射によってつくられる高輝度放ビームライン設計にも携わり、測定装置のくる」技術。真空中で金属や酸化物を加射光（電磁波）は、
これまで見ることがで開発から製作、加工、組み立て、稼動運きなかったナノ世界の物性の探索を可能

用までメカニックとして対応できるという、にします。

大きな強みを持っています。

この2つの先端的な技術を自在に駆使2018年4月、多元研に研究室が開設さ（※2）
その場光電子分光＋レーザーMBE複合装置。

（※3）
これは組頭研究室で開発してきた、
その場光電子分光＋レーザーMBE複合装置の放射光版です。KEKの組頭研究室の主力装置で、つくる技術とみる技術を

ビームラインに設置されています。

組み合わせるために開発されたものです。

お国柄を感じる、おもしろいできごと

OFF TIME

放射光施設での実験や学会での講演など、海外によく行きます。研究姿勢にもお国柄が出るようで、実験は日本人だととりあえずまず実験に着手しようと考えますが、ドイツの人は実験の前にこの場合はこう考えられる、
この配置よりこうした方がいいと、いつまでも言い合います。
「そんなことしてるより、やった方が早い」と私などは思うのですが、合理的に進めたいのか、
まず議論です。逆に工程がうまく進んで一日余った場合、日本人はもったいないので再度検査確認や次に向けての予備検討をしますが、彼らは余ったらそのまま放ったらかしで終了。おもしろいです。
写真はドイツのWurzburg大学で、私が学生の博士号の審査員を務めた時のこと。合格するとその瞬間から一人前の博士として待遇される（指導教員と対等になる）
ので、主役として飾り付けの馬車に乗り、それまでの教官が馬になるという様子が、
おもしろおかしくイベント化されていて楽しかったです。
この大学はレントゲン博士がX線を発見した大学で、放射光につながる源流です。

9

TAGEN FOREFRONTTERM INFORMATION
分子線エピタキシー
各原料を加熱し、その分子線を基板に到達させて結晶成長（エピタキシャル成長）を行う方法のこと。高真空中で基板結晶の上に原子1層ずつ結晶を積み上げていくことができる。

酸化物ヘテロ構造
組成元素が異なる酸化物を、分子線エピタキシー
組頭研究室では、さまざまな装置を駆使して「みる、解析する、制御する、
つくる、検証する」などの高度な作業によってなどの技術で接合した構造。

研究が行われています。これからも国内外の放射光施設をフル活用して、さらに新しいナノ物性を探索していくことが期待されています。

光電子分光
固体に一定エネルギーの光をあて、光電効果に
よって外に飛び出してきた電子（光電子とよばれる）のエネルギーを測定し、物質の電子状態を調べる方法である。

放射光
光速に近いスピードをもつ電子が磁場で曲げられるとき、その進行方向に放射される電磁波
（光）
の
こと。

フランスSOLEIL放射光施設

れてから、1 年がかりでいくつかの実験装置をKEKから移設しました。最後に運KEK-PF

先端計測による物質設計で新しいナノ物性を探索

KEKのつくばキャンパスにある放射光施設。放射光を用いて物質・生命の構造から機能発現のしくみを明らかにする研究を推進している。

び込まれた光電子分光＋レーザーMBE

各種装置を活用することにより組頭研複合装置（※2）について、組頭教授は究室では、酸化物量子井戸構造を用い

電子相転移「放射光施設での放射光実験のビーム

た強相関電子の2次元空間への閉じ込

温度や圧力などの外部刺激によって生じる絶縁

タイムは、せいぜい2〜3週間ですので、

め、酸化物の新奇な量子化状態の光電体状態と金属状態との間の相転移のうちで電子ビームタイム前に実験室で試料を十分に子分光による解明、酸化物ヘテロ構造を調整しておくことが鍵となります。そのた用いた新機能の開発、電子相転移を示めの装置として用いていました」と説明し

す酸化チタン薄膜の開発などに取り組んます。現在は「この装置で試料の作製とでいます。

放射光実験前の予備測定を行い、KEK

研究室内外の装置を用いて「あっとにある放射光の複合装置（※3）で最終

驚くような物性を示す物質を、先端計測的な実験を行うという流れで研究を行っに基づいた物質設計によって、発見したている」そうです。
これが、「みて、つくる」

い」というのが組頭教授の研究姿勢で「制御して、つくる」
しくみの基本となってす。
また、そのためにも「計測技術としています。

は、ナノメーターの領域の電子・化学状

組頭研究室は、放射光施設としてKEK態が調べられる分光装置を開発して、ナ（ 茨 城 県 つくば 市 ）のほか 、国 内 ではノ物質でのみ発現する状態などを調べ

SPring-8（ 兵庫県）、海外ではSOLEILたい」といいます。

（フランス）、DIAMOND（英国）、SLS

いま東北大学青葉山キャンパス内に次（スイス）などの施設を活用しています。

世代放射光施設が建設されていますが、間の強い相関に原因がある相転移。モット転移とも言う。

組頭教授は「より微細な領域を測定できる
ようなビームラインや測定装置の技術開
発を研究室のスタッフや学生といっしょにやってみたい」と話します。

TAGEN FOREFRONT 10

FOREFRONT REVIEW
小俣研究室は「人類の未来を切り拓くエネルギー・

低環境負荷材料を創りだす」ことを目指し、エネルギー・
環境・資源に関わる社会課題の解決に資する、太陽電池、
燃料電池、照明・ディスプレイなどのエネルギー変換デ
バイスの心臓部となる新材料の開発を推進しています。
このため、準安定物質を中心とした機能性無機材料の物
質設計や、可動イオン置換・挿入など化学反応過程の理解に立脚した合成プロセスの開発も併せて行っています。

11 TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

02

社会の仕組みを変える力を持つ材料
その開発への道筋を探求する
人類の歴史を振り返ってみると、ひとつの材料が登場することによって世の中がガラッと変わった、ということが幾度か起きている、と小俣孝久教授は切り出します。
はがね

紀元前15世紀ぐらいに鋼が登場します。初めて鉄製の農具がつく
られ、農業生産性が著しく向上して富の蓄積が進むことになります。
現代に至るまで産業上きわめて重要な役割を果たしている鋼が、
この時、時代を画する材料として登場したわけです。
現代に近い時代の事例として、小俣教授は、さまざまな工業製品に使われる磁石、半導体の材料、二次電池（※）の材料などを挙げます。
「青色発光ダイオード（LED）が登場し、実用化高輝度LEDの開発によって、照明や電子機器、携帯電話などにおいて低消費電力、長寿命化が一気に進みました。
いわゆる電球や蛍光灯が世の中からなくなりつつあるという大きな変化が起きています」。

多元物質科学研究所
金属資源プロセス研究センター
原子空間制御プロセス研究分野

教授

小俣
孝久
OMATA , Takahisa

1964年神奈川県生まれ。1989年横浜国立大学工学研究科博士前期課程修了、1989年株式会社三井鉱山中央研究所研究員、1991年東京工業大学総合理工学研究科博士後期課程入学、1994年同課程修了／博士（工学）。1994
年神奈川工科大学助手、1996〜2016年大阪大学助手・講師・准教授、2016年東北大学多元物質科学研究所教授。2014年日本セラミックス

今進みつつある変革の最も大きな局面は、電気自動車の進展だといいます。
「100年以上前から化石燃料でエンジンを動かして走る方式が続いてきましたが、ガソリンもエンジンも使わない電気自動車の登場で、脱化石燃料・CO₂の流れが加速しています」。その背景には、二次電池の開発と性能向上の歩みがあります。
社会の変革というのは、このように鋼や磁石、半導体の材料、二次電池に関わる材料など、ひとつの材料が産業に影響を及ぼすことで大きく動いてきた、というわけです。
今私たちは、
エネルギー、環境、資源など深刻で悩ましい問題を多く抱えています。
「それらを解決していくには、おそらく世の中の仕組みが変わらないといけない。そうした大きな変化を呼び起こすような材料をつくっていきたい。それが研究のモチベーションです」と小俣教授。
さまざまな現代的な課題について、その解決へのひとつの道筋を拓くという目標に向かって、弛まぬ探求が続けられています。

協会学術賞、2017年資源・素材学会論文賞、米国セラミックス協会Richard and Patricia
Spriggs Phase Equilibria Awardなど受賞。

（※）
リチウムイオン二次電池の開発に貢献した旭化成名誉フェロー吉野彰氏ら3人が、2019年
ノーベル化学賞を受賞した。

http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/omata/TAGEN FOREFRONT 12

FOREFRONT REVIEW

02

小俣研究室の実験室に設置されているボックス炉 。
約1800℃の処理が可能。
ガラスの合成や酸化物半導体の焼成に用います。

材料の新大陸、
準安定物質で
環境調和型材料を探索
める新材料は、
こうした準安定物質の中にある、というわけです。原子のフレーム

追い求める新機能材料は
準安定物質の中に潜んでいる

ただ研究の場においては、先人たちのワークをデザインし、望む機能を発現す

努力で誰もが入手できるような安定な物

るような準安定無機化合物を、卓抜な現代社会におけるエネルギー問題に

質は研究しつくされている、と教授は指

合成プロセスによって創製していくこと

おいても、それを解決できる新しい機能摘します。
こうした判断により、小俣研究が、小俣教授の研究の基本です。

材料がどこかに潜んでいるはず。
オリジナ

室では「準安定物質を材料の新大陸」とルな自分たちがつくり出す材料とその合位置づけています。たとえばダイヤモンド

成プロセスを見つけたい、大学らしい萌は炭素の準安定型であり、非常にゆっく

シリコン製に替わる化合物半導体の薄膜太陽電池

芽的研究を推進したい。小俣教授は、
そりと炭素の別形態であるグラファイトへと

環境調和型材料・デバイスの開発とんな思いを持ち続けています。

遷移することが知られています。追い求

いう大きな目標を掲げ、さまざまな研究をインピーダンス測定装置。酸化物半導体について重要な機能をはたす導電性の測定などを行います。
2014年に太陽電池に適したバンドギャップを有する唯一の酸化物（β-CuGaO₂）を発見しました。現在はその素子化などに取り組むとともに、引き続き新たな材料の探索をしています。
“Wurtzite CuGaO2: A direct and narrow band gap oxide semiconductor applicable to solar cell absorber”
T. Omata, H. Nagatani, I. Suzuki, M. Kita, H. Yanagi and N. Ohashi,
J. Am. Chem. Soc. 136, 3378-3381(2014).

ハードなバドミントン、3年前に再開
バドミントンは、中学・高校のときに部活でかなりハードにやっていました。中学は全国大会に何人か出場するような学校で、私も県大会で優勝しました。大学の時には、母校にコーチとして教えにも行きました。それ以降やめていましたが、3年前に多元研に赴任してから東北大学の教職員クラブ活動で再開しました。
始めるにあたっては、すぐに体が動くような生易しいスポーツではないので、半年間ジムに行って体を慣らしてからラケットを持ちました。昼休みは研究所の人たちと、夜は多元研だけでなく他部局の人たちも来て、実戦形式で楽しんでいます。大会での勝利はとてもうれしく、練習の励みになっています。怪我には気をつけてやってます。歳なので治るのに時間がかかりますからね。

13 TAGEN FOREFRONTMY FAVORITETERM INFORMATION

展開している小俣研究室。そのひとつとです。いずれにしてもこの数字では「私して、現在すでに社会の中で多く利用さたちが自宅で使う電力を屋根の上の太

れている太陽電池を、さらに大きく進化さ

陽電池だけでまかなうことはできません。

せるべく次世代の太陽電池の研究が進もし、より変換効率の高い太陽電池が実められています。

現するならば、各家庭で電力を自給自足て居心地が良いか否かで決まります。例えば、炭素

現在主流の太陽電池はシリコン（Si）することも可能となるはず」と小俣教授の一つの状態であるダイヤモンドは、指輪などの宝でつくられていますが、光の吸収能力がは話します。そうした飛躍的なブレークス

小さく、太陽光をすべて吸収するためにルーの実現のためには、画期的な材料

は厚いシリコンを用いなければなりませの登場が待たれるということになります。

ん。
このため太陽電池パネルをつくるにそこで注目されているのが、多重励起

は、たくさんのシリコンを必要とし、重い、子生成（マルチエキシトン生成／MEG：

定な物質と同じように取り扱えるのです。室温、1価 格が高くなる、などの課 題がありましMultiple Exciton Generation）
とい

だけれど、
あたかも安定な物質のように取り扱えるた。
これに対して、CdTe（カドミウムテルラ

うメカニズムを用いた量 子ドット太 陽 電

物質を準安定物質といいます。

イド）やCIGS（銅・インジウム・ガリウム・セ

池です。量子ドットといわれる大きさ数ナ

薄膜太陽電池レナイド）などの化合物半導体を使ったノメートルの半導体単結晶には、光の粒

2018年の世界の太陽電池の生産量の97%はシ

薄膜太陽電池がすでに流通していて、（光子）１つが照 射されると２つ以 上のリコンで作られたものです。
しかしシリコンは光を吸材料が薄くなるというメリットは達成してい複数の電子ができるというユニークな性

ます。
しかし、
これらには有害なカドミウム

質があります。
この性質を利用すると、光化合物だったり、多くの電力が必要な真を複 数 倍の電 気に置き換えることがで重いため設置する場所も限られます。
これに対して空プロセスで製造しなければいけなかっき、変換効率が50％前後に達する太陽の優れた半導体であり、わずか数μmの厚さで十分たりという課題が残されていました。

電池が実現できると予測されています。

太陽光を吸収できます。
これらの材料で作られた太準安定物質物質がある環境で安定であるか、
あるいは、
そうでな
いかは、
その環境の温度と圧力がその物質にとっ飾品として使われ、「 永遠の輝き」などと形容されま
すが、それが室温で安定なのは数万気圧の高圧下であり、1気圧下で安定な状態は真っ黒な黒鉛です。ただし、氷が解けて水になる速度とは異なり、室温でダイヤモンドが黒鉛に変わる速度は非常に遅いので、本当は不安定なのだけれど実際上は安気圧下のダイヤモンドのように、本当は不安定なの収する能力はそれほど大きくなく太陽光をすべて吸収するには0.1mm以上の厚さが必要です。結果として多くの原料が必要になるので高価になり、またCdTe、CIGSやβ-CuGaO₂は、光を吸収する能力

陽電池は薄膜太陽電池と呼ばれ、シリコン製太陽「害もなくて資源もたくさんあって、かつ

小俣研究室ではこのテーマの研究に薄膜でできるような太陽電池の材料が出

より、太陽電池に適したInAs（ヒ化インジてきてほしい。
じゃ、つくろう」というのが、ウム）の量子ドットの安全な製造方法を

小俣研究室の次世代太陽電池の研究開発しました。現在は、この製造方法のテーマでした。
「私たちの研究室では、
こブラッシュアップとともに、太陽光の照射の目的に合う酸化物半導体を設計・探索によって生成した電子を取り出すための合物が酸化物であるものは酸化物半導体と呼び、し、β-CuGaO₂という新物質をつくり出し

量子ドットナノ構造とその作製方法を研は、液晶ディスプレイに搭載されています。

ました」と小俣教授は話します。
これは光究し、超高効率太陽電池の実現を目指しの吸収能力がCdTeやCIGSと同水準でて研究を進めています。

あり、太陽電池の変換効率が最も高い電池と比べて軽くて安いなどのメリットがあるのです。

酸化物半導体よく知られるシリコンやゲルマニウムはただ一つの元
素からできている単体の半導体。青色LEDに使われる窒化ガリウムなどは化合物の半導体です。化
例えば酸化インジウムやIGZOなどの酸化物半導体

β-CuGaO₂
銅やアルミニウムのように電気を通す物質は、通常光を通しません。
しかし多くの酸化物半導体は透状態での設計が可能で、何より「有害な明なのに電気を通すので、その性質を活かして透物質を使わず、銅とガリウムの酸化物な目に見える光や赤外線を吸収する珍しい酸化物

明電極として使われています。
しかしβ-CuGaO₂はので空気中にたくさんある酸素を使える。

半導体です。このような性質は太陽電池やLEDにピッタリなので、世界から注目を集めているわけ

銅やガリウム資源も豊富にあるので、資です。

源的にもいいし、製造プロセスも簡単にな

マルチエキシトン生成る」というメリットを創出できたことは大き物質に光をあてると、物質中の電子が光のエネルな成果と言うことができます。

ギーをもらって、エネルギーの高い状態に移ります。
太陽電池などでは、
この高いエネルギーにある電子

高い変換効率を実現する
量子ドット太陽電池

を物質の外に取り出して、使用可能な電力としています。通常は、一粒の光（光子）が物質にあたると、
一粒の電子がエネルギーの高い状態に移ります

ここで太陽電池の変換効率（光を電が、エネルギーの大きな光（波長の短い光）があた

気に換える割合）のことにふれておきま

ると、一粒の光の照射で二粒、三粒の電子がエネす。
シリコンを使った市販の太陽電池のルチエキシトン生成と呼ばれる現象で、量子ドットとルギーの高い状態に移ることもあります。
これがマ

変換効率は約15〜20％程度で、理論上たとえば、新しい酸化物エネルギー材料の設計とそのの上限も29％とされます。
また化合物半に、小俣研究室は材料工学と合成化学が高度に融導体を使った高性能なものでも30%ほど

合成プロセス、というような研究テーマでもわかるよう合した研究分野と言うことができます。

呼ばれる半導体ではマルチエキシトン生成の生じる割合が非常に高くなります。これを太陽電池に応用するとたくさんの電流を取り出せることになり、通常ではできない高出力の太陽電池が実現します。

TAGEN FOREFRONT 14

FOREFRONT REVIEW

02中温度域で作動する
次世代燃料電池を開発
小俣研究室の主要な研究テーマの中に燃料電池があります。
ここでもイオン交
換プロセスが使われています。燃料電池

産業界への応用が期待される
高機能な材料開発に使われるガラス電解質の組成は非常に複雑なものです。合成の際に高温で溶かす必要がありますが、高温にすると水素イオン（H＋）が水蒸気になって外に出て行ってしまいます。
そこで「最初にH＋の替
わりにNa＋を入れておいて、温度の低い

イオン交換プロセスで新物質をつくり出す

300℃くらいのところでNa＋を水素イオンにくるときに、
どうしても必要不可欠な元素取り替えてやる、という方法を使います」。

というものがありますが、その元素を最初

さて燃料電池とは、電気化学反応に

小俣研究室のさまざまな研究の中で、から入れてつくることができない場合があ

よって燃 料（ 水 素など ）の 化 学 エネル

新しい材料の物質設計をしていく化学プ

ります。その時にその元素の替わりに別ギーから電 力を取り出す 電 池です 。そロセス手法としてイオン交換が重要な役の元素を入れてやって、化学構造だけはの作動温度については「1980年代から割を果たしています。
「目的の化合物をつ求めている構造と同じ化合物をつくる。
そ次世代の燃料電池は300℃〜500℃でれで後から、替わりに入れ動く必要があると言われていましたが、た元素を本来の元素に取一向に実現しない」と言います。燃料電

り替えてやる」と小俣教授

池の心臓部にあたる電解質が、300℃やは解説します。

400℃で十分働く材料が世の中になくて、たとえば薄膜太陽電池

まだ見つかっていないからでした。
「そう

のところ
（前ページ）で取りいう材料がないからダメなんだよね、とい上げたβ-CuGaO₂という新う状況があったら、じゃ、それをつくれば物質は、まずβ-NaGaO₂をいいんじゃない、というのが私たちの研究

薄膜に成長させ、その後で室のスタンス」と、小俣教授。

イオン交換によりNaをCuに

小 俣 研 究 室では、こうした中温 作 動

置き換えてβ-CuGaO₂薄膜型燃料電池の電解質に適用可能なプロを得ています。

トン伝 導 性の固 体 電 解 質を開 発し、発表しました（2016年）。300℃前後の温度域では世界最高クラスのプロトン伝導性

電 子ビーム蒸 着 装 置 。真 空 中で電子銃から発生する電子ビームを蒸発

さらに究極の燃料電池は「バイオマス

材料に照射し、加熱・蒸発させ、基板と言われる植物由来・生物由来の有機に薄膜を形成する方法で、酸化物半導体や燃料電池の電極の成膜に用物を燃料にするのがいいと思う」と話しまいられます。

す。
なぜなら「植物が空気中のCO₂を取思い通りの味がつくれた時は、うれしい
東北大学には単身赴任で来ています。
というわけで食事は毎日自炊で、食材の買い出しに出かけ、買って来たものを片付け、ゆっくり料理をするという時間を楽しんでいます。食いしん坊
なので、どこかで食べておいしいと思ったものを自分でつくってみるというつくり方ですね。だから、お店の名前も料理の名前も詳しく覚えているわけではなく、料理本でつくり方を調べたりもしません。似て非なるものになる可能性もありますけれど、それも含めて料理はおもしろいです。
だんだん自然に調味料や道具も増えてきました。最近自分で気に入っているのは、麻婆豆
腐や野菜炒め、
イタリアンでは仙台の魚介を使ったパスタやアヒージョ。われながら、腕が上がってきたと思っています。

15 TAGEN FOREFRONTのガラス電解質をつくり出しています。

OFF TIME

た緑色の良い色が出るということは、なぜか見落とされていた」と言います。
セレン化カドミウム（CdSe）
による蛍光体はすでに流通していますが、カドミウムには毒性があります。
またリン化インジウ
ムなどの代替材料の開発が行われていますが、セレン化カドミウムと同等の単色性が実現できていないという課題があります。鉛を含有する化合物から単色性のNa+が含まれたガラスに H+を注入するアルカリプ
ロトン置換法という新しい手法で、中温域（250～500℃）
で使える電解質を開発しました。この温度域での伝導度は世界トップレベルに達しています。

高い緑色蛍光体が報告されていますが、やはり鉛の毒性が懸念されています。

TERM INFORMATION
イオン交換
水の中にはナトリウムイオン（Na＋）
や塩化物イオン（Cl−）など様々なイオンが溶けています。このような水に浸しておくと、Na＋イオンを吸収し代わりに
水素イオン
（H＋）
を放出する物質や、Cl−イオンを吸収し水酸化物イオン（OH−）
を放出してくれる物
質があります。このような現象をイオン交換といいます。

中温作動型燃料電池
44

燃料電池は、電池という言葉がついていますが、水素を燃料として電力を取り出す発電装置です。

こうした状況の中で小俣研究室では、

2019年現在の家庭用に市販されている燃料電

混晶半導体と呼ばれる Zn（Te,Se）量子が進行するタイプの燃料電池です。一方、燃料池（エネファーム）は750～800℃の高温で発電
電池自動車に搭載される燃料電池は、80℃程度

り入れて自分でつくったバイオアルコール

ドットによって、カドミウムや鉛のような有を使う分には、
アルコールを燃やしたとこ

害物質を含まず、セレン化カドミウム量子

ろで地表より上のCO₂は増やさない」と、ドットの発 光と同 等の単 色 性の高い緑

題がありますが、250～500℃で運転できる燃料

カーボンニュートラルを実現する次世代色発光を実現したことは、きわめて意義型燃料電池の開発を目指しています。

深いものです。
スーパーハイビジョン放送

期待されています。それを中温作動型燃料電池と安全で高機能な画期的緑色蛍光体を開発
前 段の燃 料 電 池の話 が「まだ発 見に適合した広い色域を達成する、
しかも安 全 性が大 幅に向 上した次 世 代 広 色
域ディスプレイへの応用へ道筋が大きく進展したものとなりました。

の低い温度で運転されるタイプです。これら二つのタイプの燃料電池にはそれぞれ抱える技術課
電池ができると、その課題が一気に解決されると呼んでいます。

プロトン伝導体
例えば、リチウムイオン電池ではリチウムイオンが電気を運ぶリチウムイオン伝導体が電解質として使われます。燃料電池では酸化物イオン
（O²−）
か水
素イオン
（H＋）
が電気を運ぶ電解質が必要になりされていない物質をつくり出すアプロー

現在は、より高性能な可視光を発する

ます。原子番号が1の水素が電子をひとつ失ってチ」だとしたら、「物質自体はよく知られて量子ドットや、
より環境にやさしい新しいできた水素イオンは、電子をひとつも持たない原子

いるが、材料としては使えないと見落とさ

量子ドット材料の開発を行い、ディスプレれている物質。その物質の気づかれてイや各種の光源における省エネルギー

電荷をもった陽子からできているので、水素イオン

いない性質を探し出して適切な材料にの達成を目指して研究を進めています。

仕立てるアプローチ」
も小俣教授は好き

核だけからできたイオンです。水素の原子核は正のH＋はまさに陽子そのものになります。陽子は英語でproton（プロトン）と呼ばれるので、水素イオンが電気を運ぶ電解質をプロトン伝導体と呼びます。

だと言います。
「量子ドットのディスプレイ

アルカリプロトン置換法

材料の話は完全にそのパターン」だそう

アルカリプロトン置換法はその名のとおり、物質の中にある例えばナトリウムイオン
（Na＋）
のようなア

です。

ルカリイオンをプロトン（水素イオンH＋）へと置き換

小俣教授のグループが、テルル化亜鉛える手法です。ガラスの中にはたくさんのアルカリイオンを含ませることができるので、それを後の工（ Z n T e ）半 導 体の中のテルル（ T e ）の程でプロトンへと置き換えてプロトン伝導体を作る

一部をセレン（Se）で置き換えた量子ドッのに使われる小俣教授のグループで開発されたトにより、単色光に近い緑色を発する蛍手法です。

光体の開発に成功した、という研究成果

混晶半導体のことです（2018年6月）。前ページにも食塩は化学式で書くとNaClですが、天然の食塩

出ていた量子ドットとは、ナノスケールのにはカリウムやカルシウム、
マグネシウムなども含
まれています。中でもカリウムはナトリウムと同じア

特殊な状態の半導体結晶で、従来の物

ルカリ金属なので、食塩の結晶中のナトリウムの質では不可能だった不思議な物性を発居場所の一部を置き換えて居座っています。これは原子レベルでNaClとKClが混ざって、固体の現することがあります。

NaClの中にわずかにKClが溶けた状態です。
この「この化合物があるということは半導ような固体に固体が溶けた物質を固溶体と呼びま

体の研 究 者は誰でもわかっているし、溶液法（ビーカーフラスコ）
で量子ドットを作っています。

量子ドットの研究者なら《亜鉛とテルル》

いて、ホットな話題となっています。小俣研究室では、
Zn《 亜 鉛とセレン》という組み合わせはみ（Te,Se）
量子ドットの合成により単色光に近い緑色をんなつくっていた。
しかし《テルルとセレン》を組み合わせると今までできなかっ量子ドットは2010年代後半から実用化がされ始めてす。その別名として科学技術分野によっては混晶という呼び方が使われます。本文中のZn（Te,Se）
はZnTeという半導体とZnSeという半導体の固溶体なので、混晶半導体の一つにあたります。

発する蛍光体の開発に成功しています。
本研究成果は、2018年6月20日公開の米国化学会
専門誌ACS Omega誌にオンライン掲載されました。

TAGEN FOREFRONT 16

FOREFRONT REVIEW
再沈法を駆使した薬剤ナノ粒子を創製。 笠井均

研究室では、腫瘍患部への薬剤移行性を向上させると同時に、 副作用も少なくする患者にもやさしい次世代
DDS（ドラッグデリバリーシステム）薬剤の開発の基盤を確立することを目指しています。

17 TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

03

独自の「有機ナノ結晶」の創製技術から新しい薬剤開発の可能性を拓く
薬が効くとはどういうことか？ よく効く薬を作るにはどうしたらいいか？
多くの研究者が考え、チャレンジしている問題です。
例えば抗がん剤であれば、どのように腫瘍組織まで薬を届け、どのように細胞内に浸透させるか？ どのように副作用を低減させるか？
など様々な超えなくてはいけない課題があります。
その効き目のある抗がん剤開発へのひとつの道筋を切り拓いたのが、笠井研究室が開発する有機ナノ粒子・結晶の創製技術です。
従来の薬化合物は、薬理効果のある化合物に水溶性の置換基を付けるというものが一般的でした。
ところが、水溶性化合物を血中に投与すると、腎臓で濾過されやすい上、正常な組織にも拡散しやす
く、
また100 nm以上の薬剤の場合はマクロファージに貪食された後、腎臓に捕捉されてしまいます。
多元物質科学研究所
高分子・ハイブリッド材料研究センター
有機・バイオナノ材料研究分野

教授

笠井
均
K ASAI, Hitoshi

1967年千葉県生まれ。東北大学大学院理学研究科化学専攻博士課程後期課程修了。理学博士。2000年東北大学反応化学研究所助手、2001年多元物質科学研究所に改組、2004年
同助教授、2007年同准教授、2016年より現職
http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/k as ai/

この問題を克服するために笠井研究室が導入したのが、従来の発想とは真逆といえるものでした。薬化合物にコレステロール誘導体などの「難水溶性置換基」を化学的に連結することや二量体化などを施すというものです。
さらに独自の有機ナノ粒子作製手法である『再沈法』によって、粒径100 nm以下の薬剤ナノ粒子を作製する技術を確立しました。その結果、腫瘍組織の細胞内にまで効果的なドラッグデリバリーが可能な薬剤ナノ粒子が見出されています。
笠井研究室では点眼薬に関してもナノ粒子化に取り組んでいます。
緑内障の治療薬である「ブリンゾラミド」（商品名：エイゾプト）
の誘導体
を合成し、
ナノ粒子点眼薬を作製。
ブリンゾラミドの約1/5の量で同様の眼圧降下作用を示すことが明らかになっています。現在は、ナノ粒子
点眼薬の眼内移行メカニズムの解明に取り組んでいます。
「次世代のDDS薬剤を実現する。」
この命題に対し、独自の有機ナ
ノ結晶創製技術を駆使して腫瘍患部への薬剤移行性の効率を飛躍的に向上させることにより、その開発基盤を確立することを目指しています。
この有機ナノ粒子・結晶の創製技術は、医薬、農薬、化粧品、補助食品など、広汎な産業分野で活用できると期待されています。

TAGEN FOREFRONT 18

FOREFRONT REVIEW

03

副作用の無いドラッグデリバリーシステムを構築すること。この理想に向けて新しい道筋を開いたのが、「水溶性の置換基から難水溶性の置換基へ」という逆転の発想でした。薬理活性部位を有する化合物
を水に対する溶解度をより低くするために、二量体化
するか、または難水溶性置換基を化学的に付けた化合物へと合成した後、その化合物を再沈法に適用すれば、薬剤ナノ粒子の分散液が得られます。

「難水溶性」をキーにしたプロドラッグ
逆転の発想を可能にした「再沈法」

制御」ができる。③使用する溶媒の種類（溶媒和結晶の生成）により「結晶形状の制御」ができる、というものです。
「このようにサイズや形状を自由に制御できることにより、今までにない新規の物性を発現することができると期待されています」。

様々な可能性を秘めた「再沈法」で有機ナノ結晶を自由に制御可能であるミリング法を用いた場合、500ｎｍ

ナノ結晶とは粒径がおよそ数～数10ｎｍ

ボトムアップ方式である蒸発法では、熱にであるような結晶のこと。量子サイズ効果

弱い有機化合物に対して加熱操作をほ

この制御された有機ナノ結晶はどんなとにより特異な物性を発現することや比表

どこす必要があるなど、汎用性に問題がころで活用することができるのでしょうか？

面積が増大することが知られていて、光・ありました。

そのひとつの答えが「ナノ薬剤」です。

電子材料や触媒・医薬・農薬品への活用

以下のナノ結晶を作製することが困難。

「難水溶性」をキーワードに逆転の発想で抗がん剤を効果的に有機ナノ結晶を作る方法は

ナノ薬剤は細胞内まで浸透可能な薬が期待されています。

ないか？ 試行錯誤の上、出された答え

剤で、
笠井研究室では、抗がん剤に注目。

「私が有機ナノ結晶の作製法の研究をが「再沈法」でした。対象となる化合物を「従来の抗がん剤は水溶性プロドラッグ

はじめた20年前の時点では、ナノ結晶の溶かした良溶媒の溶液を、化合物が溶（患部に到達されるまで薬効成分が分解

研究はほぼ金属・半導体系に関するもの

けない貧溶媒（主に蒸留水）に入れるこ

されない薬）が主流です。
しかし、水溶性でした。
これに対して、有機ナノ結晶は未とにより再沈澱させる方法。簡便、迅速、

プロドラッグは、全身に回り、重篤な副作用

踏分野。作製上いろいろ問題があったの

安価に加え、汎用性が高い創製技術でを示すことがあり、細胞膜を透過しづらいです」と語る笠井教授。
トップダウン方式

あり、世界からも注目された手法です。

という問題もあります」と語る笠井教授が「さらに再沈法における作考えたのが、
有機ナノ結晶創製技術で、新製条件を変えることにより、
サ

しい薬を作れないか、ということでした。出

イズ・形状など様々に制御すした答えは、「水溶性の置換基から難水ることが 可 能になります 」と溶性の置換基へ」。発想の転換でした。

再沈法のメリットを語る笠井「薬理効果を有する難水溶性化合物

教 授 。笠 井 研 究 室でまとめのみで構成されたキャリアフリーのナノ粒た作製に関する因子は以下子を創製すれば、副作用の無いドラッグデのとおり。①注入溶液の濃度

リバリーシステムを構築できるはず、と考え様々な制御因子によりサイズ・形状などを制御することが可能な「再沈法」と貧溶媒の温度により
「サイ

の発見。
この再沈法によって、笠井研究室では抗がん活性化合物に難水たのです。
どのように難水溶性化するか？

ズの制御」ができる。②貧溶

それは二量体化するか、難水溶性置換基媒の種類により「結晶構造のを化学的に付ければ可能になります」。

溶性置換基を化学的に導入するという新しい発想で粒径100 n m 以下の「薬剤ナノ粒子」を作製する技術を確立しています。

目立ちたいわけではなく、人を楽しませるのが好きなんですね
昔から人を楽しませるが好きでしたね。宴会でも楽しくワイワイやるのが好き。そんな私らしく、「片平まつり」や「サイエンス・デイ」で、カツラをかぶった「博士」の出で立ちで参加しています。
もちろん、科学のことを真剣に伝えていますよ。毎回たくさんの小・中・高校生のみなさんや保護者の方が来てくれるので、はりきって準備をしています。
何年もこの格好で参加しているので、近所の方とか子どもたちに覚えられていますね。自分で言うのもなんですが「博士」人気すごい！私を見かけると「あーハカセだー！」と声をかけてくれます。
これからも、次世代の人たちに科学の楽しさを伝えることができればと思っています。

19 TAGEN FOREFRONTMY FAVORITE

加水分解してくれるのです」。
ポイントとなるのは、細胞内への薬剤の取り込み量。
イリノテカンは極性が高く、そのままでは不活性な、もしくは明らかに活性の低すが、50ｎｍ程度のSN-38の二量体ナノれると、生体による代謝作用を受けて活性代謝物

向上しました。抗がん剤に新たな光明が生まれた瞬間でした。

トは薬剤のサイズでした。100 n m 以上のマクロ薬剤
はマクロファージなどによって貪食されてしまいます。
10 n m 以下の一般的な薬分子では、全身に拡散して、腎臓から排泄されてしまい、
がん細胞内まで届きにくく

SN-38誘導体ナノ粒子のIn vivo 活性試験に
その後、笠井研究室では、副作用の無いドラッグデリバリーシステムに向けて、企は、血液中では加水分解を起こしませんし、細胞内に業への技術移転を図るとともに、マウスな

現在の市販薬としては、水溶性置換基い形態で投与される医薬品。
プロドラッグは投与さへと変化し薬効を示す。生体内で加水分解することが可能なエステル化合物が代表的な例である。

再沈法
対象化合物の溶液から再沈澱させる純化学的ななります。その間の10 ～10 0 n mの今回のナノ薬剤まで浸透可能で、がん細胞内では加水分解されます。

プロドラッグ細胞内に入りづらいという性質がありま
粒子では細胞への取込み効率が著しく

どうやって腫瘍組織の細胞内に薬を運ぶか？ ポイン

TERM INFORMATION

どの小動物を用いたin vivoの実験を実施しています。

実験手法。対象化合物が溶解した良溶媒を貧溶
媒中に高速かつ均一で拡散させることで、対象化合物の過飽和度を高め、結果としてナノ粒子を分散液として得る。濃度、温度、溶媒の組み合わせ、また界面活性剤の添加等により粒子サイズ/形状の制御が可能である。簡便、迅速、安価で実施可能であり、適応可能な化合物が多く汎用性が高いことを特徴としている。

ドラッグデリバリーシステム（DDS）「in vivo 実験を想定した場合、抗がん

医薬品の効果をよりよく発揮するために設計されSN-38に変換されるプロドラッグとして使薬SN-38にどんな置換基をつけるのが正た投与形態の総称。DDSによって吸収過程、放用されています。
このSN-38の難水溶性解なのか？ を検討しました。
その結果、ナを高める目的で二量体化し合成したとこ

ノ粒子化、加水分解速度、分散安定性そろ、再沈法により50ｎｍ程度のナノ粒子

れぞれを判定し、SN-38の相方としてコレ

水分散液が作製されました。

ステロール置換基が選ばれました」。

を導入したイリノテカンが、加水分解後

出過程、分布過程が制御可能であり、これにより、薬効の持続や、標的指向化を実現する。副作用の軽減や薬効増強利便性向上といった利点をもたらすことが期待される。

キャリアフリー

そして、作製したSN-38の二量体ナノコレステロール基がついたSN-38誘

粒子をがん細胞培地に投与し、48時間

導体ナノ粒子（SN-38-chol NPs）
は、in

（キャリア）に薬剤分子を包摂して薬剤ナノ粒子

後のがん細胞の生存率をイリノテカンのvivo 評価の抗腫瘍性において、イリノテ

ナノ粒子とすることで、キャリアを使用せずDDSを場合と比較。市販のイリノテカンよりもはる

カンの薬理効果よりも約10倍高いという構築することができる。

かに低濃度で、より高い抗がん効果を発結果になりました。

難水溶性置換基

一般的なDDSでは、ポリマー等で作製した粒子とする。一方、当該研究では薬剤分子をそのまま

さらに、SN-38-chol NPsにおいて下難水溶性（水に溶けにくい）の化学構造を持つ官「サイズによって身体の中での薬物の痢の原因となる腸管損傷を評価したとこ

能基。当該研究ではこれまで、ナノ粒子化・分散

動きが違うんです。まず、100ｎｍ以上のろ、イリノテカンよりも抑制されており、副作

マクロ薬剤はマクロファージなどによって用が低減する可能性が示されました。
こノ薬剤の創出を目指し、100種類近くの難水溶性貪食されてしまいます。逆に10ｎｍ以下ののSN-38-chol NPsは、臨床応用に大きせを検討してきた。

一般的な薬分子では、全身に拡散して、な可能性を秘めており、がん治療用の次SN-38

腎臓から排泄されてしまい、がん細胞内世代の薬剤になると期待されています。

ヌマミズキ科キジュ（Camptotheca acuminata）

まで届きづらくなります。
その間の10～100

がんの完全消失が可能なナノ抗がん薬ｎｍであることがポイントです。
このレンジを見出すことが今後の目標だと笠井教授

けにくいため、
イリノテカンという水溶性のプロドのナノ薬剤は、血液中では加水分解を起は語ります。
「もう1 歩抗腫瘍性の高い抗ラッグの形態で使用されている。イリノテカンは肝こさないように設計できますし、細胞内にがん剤を見つけたいと思っています。抗がん薬SN-38の夢の相方を探しています」。

変換され薬効を示す。

まで浸透可能で、がん細胞内ではじめて揮することができたのです。

安定性・加水分解速度の3点をすべて制御したナの化合物に着目・合成し、薬剤分子との組み合わに含まれるカンプトテシンという化合物から開発された抗がん活性物質。SN-38は水に非常に溶臓や各組織の酵素により、活性体のSN-38にin vivo
マウスなどの実験動物を用いて、生体内に直接的に被験物質を投与し、生体内や細胞内での薬物の反応を検出する試験のことをいう。当該研究では、作製したナノ薬剤分散液をマウスに静脈注射
し、ナノ薬剤の血中滞留性や抗がん活性の評価を行っている。また点眼薬を志向したナノ薬剤に関しては、直接分散液を点眼し、眼内移行性や眼圧の評価を行っている。

コレステロールがついたSN-38誘導体ナノ粒子は、In vivo 評価の抗腫瘍性において、イリノテカンより高い活性を示しました。
がんの完全消失が可能なナノ抗がん薬を見出すことが今後の笠井研究室の目標です。

TAGEN FOREFRONT 20

FOREFRONT REVIEW

03

現在、笠井研究室では抗がん活性化合物の他に点眼薬に関してもナノ粒子化に取り組んでおり、
「ナノ粒
子点眼薬」
として、眼疾患への効率的なDDS応用を目指しています。
ブリンゾラミドを水に溶けにくくした後、独自のナノ粒子化技術「再沈法」
を施しました。
これにより治療薬が角膜を通過しやすくなり、毛様体など眼の奥の器官にも成分が届きやすくなりました。

新しい物性を発現する有機ナノ結晶
抗がん剤、そして点眼薬、様々に展開

点眼薬に関してもナノ粒子化
角膜組織に対する高い浸透性
現在、笠井研究室では点眼薬に関してもナノ粒子化に取り組んでおり、「ナノ研究室をあげて有機ナノ結晶の可能性を拓く

Anh T.N. Dao助教

粒子点眼薬」
として、眼疾患への効率的

効 率 的な薬 物 送 達およ

なDDS応用を目指しています。

び 放出制 御が可 能な多結晶サイズによって様々な特性を示す

機能ドラッグデリバリーシ

有機ナノ結晶。例えば、光学特性（光吸「一般的な点眼薬は角膜のバリア機

ステムを開 発する研 究 。

能によって、点眼した薬の０.１％程度しか

収および蛍光発光スペクトル）や反応性

バイオセンシングが可 能眼内移行しないことが知られています。
こ（固相重合）
も結晶サイズに依存するこな貴 金 属ナノ粒 子 の 開の課題に対し、ナノ粒子点眼薬だったらとが分かってきています。
さらに、形状と多形も基本的構造パラメータで、多形制御がいかに重要であるかは、顔料や色発や医療分野など多くの分野での利用が期待されるシルクタンパク質に着目して研究を進めています。

入るのでは？という仮説を立てました」。
そこでラットを使った実験により、眼内（角膜）移行性の評価を行いました。実

材、医薬品の世界で良く知られています。

鈴木龍樹助教験は蛍光性ナノ粒子（黄色201号として「サイズ・形状・多形を任意に制御する生 物由来の天 然 色 素を汎用品、細胞や角膜のイメージングなど

ことにより、新規物性・機能を発現させる

ナノ粒子化し、構造解析

で利用）を用いて評価しました。そして点を通して光学特性を制御ことができます。研究室でも研究成果がし高 機 能 化・高 付 加 価

多彩に広がっています」と笠井教授は語値化する研究。特に、天ります。
ここに笠井研究室の助教の皆さんの研究を簡単にご紹介します。

眼3０分後に角膜断層（約150μm）の蛍光顕微鏡観察をしました。

然色素として希少な「 青点眼液にマイクロ粒子を使用した場色」に着目し、食品応用や環境負荷軽減を目合、角膜の上 皮 表 層のみで発 光 。
しか指した色 素 材 料への展 開を目指して研 究を行っています。

し、点眼液に蛍光性ナノ粒子を使用した場合、角膜の上皮および実質層に強い

小関良卓助教蛍光が観測され、角膜組織に対する高有機合成を基礎としてナ

有田稔彦助教ノ薬剤、バイオマス利用、

粒子共存重合法による高い浸透性が認められました。

生物活性物質合成等をメ

分子表面機能化ナノフィ「ナノ粒子化による眼内移行性の向上

インの研究テーマに据え

ラーと、それを用いた高分ています。がんの根治を目

子材料の性能向上にかかを、世界で初めて視覚的に捕らえること指した画期的な新薬の開る研究、並びに、
セルロー

発や、廃木材からの医薬品製造の実現を目指

スナノクリスタル（CNC）のして日々研究に取り組んでいます。

微粉末化・応用展開を進めています。

ビリヤードで人と人との真剣勝負。多くのことを学べたと思いますね
修士課程 2 年の頃、研究室から歩いて3分のビリヤード場で、同じ研究室の友人との勝負が熱くなっていき、完全にはまってしまったことがきっかけです。A級にまでいくことができましたね。
精神的に安定していたため、割合よいバランスでやれたと思います。
ビリヤードは人と人との勝負。
うまくなってくると、下手な相手なら玉を衝く前、その構えだけで、どのレベルなのかやミスをするかなどがわかるようになります。化学の世界においても、研鑚を積んでいる先輩の考えていることは、後輩の考えに比べて、より深遠であることが多いですね。
ビリヤードにおける人と人との勝負実体験から、多くのことを自然に学べたのだと感じます。

21 TAGEN FOREFRONTに成功しました」。
次のステップとして、抗がん剤のノウ
ハウをもとに、一般的な緑内障の治療薬

OFF TIME「ブリンゾラミド」の二 量 体 化 合 物のナノ粒子化を目指しましたが、実現困難と魅惑の有機ナノ結晶材料作製から応用展開まで判明。
コレステロール基の修飾も試みま

材料化学、生化学、医薬学、物理化

したが 、眼 内で加 水 分 解 が 進 行 せ ず

学、そして再沈法によるナノ粒子化技術に、薬理効果が発現しないことが分かりを駆使して、高ロード率に基づく効率的ました。

なデリバリーを実現する新規ナノドラッグ

TERM INFORMATION
有機ナノ粒子・ナノ結晶
有機化合物のみで構成されるナノメールオーダーの極微小な粒子であり、その粒子サイズは10～200 n m 程度。サイズに依存した光学特性や反応性を示すことが知られるが、当グループの研究によりナノ薬剤としても応用可能であることが示さ分子の設計・合成を追究している笠井研れている。
（ 写真：電子顕微鏡像）作製したナノ薬

し、その条件下、ナノ粒子が加水分解を

究室。

剤の一例。

進行しうる置換基を模索した結果、トリメ「 有 機 系では、薬 効 部 位のロード率

チルロック（TML）基が有効であることが40％以上を実現する難水溶性プロドラッ

分かりました。

グの設計と合成を目指し、水系では、再そこで、ラットから眼内の前房水を採取

また従来のブリンゾラミド点眼薬は白沈法の改良でナノ粒子10 ～20 nm の創

濁で、点眼後に患者の視野がかすむと製を目指しています。生体内では、分散いう使用感の悪さが課題でしたが、作製

安定性の向上、ナノ薬剤の細胞内へのしたブリンゾラミドにTML基を導入した取り込み機構の解析、副作用の低減を

プロドラッグナノ粒子水分散液は薬液の目指し、患部組織・細胞内で加水分解に透明度が高く、点眼時の課題も解消でき

より薬が放出することを実現させようと考ると期待されます。

えています」と今後の抱負を語る笠井教

蚕（カイコ）の繭から作られるタンパク質。アミノ酸授。引き続き有機ナノ結晶型DDSの発展の結合により繊維となり、機械的強度が高く、且笠井研究室では今後、眼表面バリア透過性を有する次世代ナノ点眼薬として、臨床応用への展開を模索していきます。

的研究を進めていきます。
「化学工学技術を駆使した再沈法の装置化へと展開していま

シルクタンパク質

つ生体適合性も良いことから医療分野では縫合
糸や包帯として利用されてきた。他の材料との組
み合わせにより多機能化も可能であり、ドラッグデリバリーシステムの研究分野においても期待の高い材料である。

す。医薬、農薬、化粧品、補助食品など、極めて広汎な産 業 分 野でナノ結晶化することでの高品質角膜のバリア機能
眼の最表面の組織である角膜は、外部からの異物の侵入を防ぐためにバリア機能を有しているこ

化、高性能化、さらには革とが知られている。角膜の最表層の細胞は非常新が期待できます。再沈を透過することが困難である。

に密に接着しているため、一般的な点眼薬は角膜法を用いた有機ナノ結晶は未知の可能性を秘めた大変楽しみな分野であると考えています」。

トリメチルロック（TML）基
3つのメチル基が互いに反発するような構造とする
ことで反応速度を高めた置換基。TML基が結合したナノ粒子点眼薬は眼内の酵素に応答して薬物を速やかに放出することが可能となる。

ナノ粒子化により、眼内移行性の向上を世界で初めて視覚的に捉えることに成功しました。

笠井研究室では有機ナノ結晶の創製技術をベースに、有機ナノ結晶型DDSの発展的研究を進めています。農薬、化粧品、補助食品など、極めて広汎な産業分野に展開できる可能性のある研究分野です。

TAGEN FOREFRONT 22

FOREFRONT REVIEW

化学の実験室といえばビーカーやフラスコ、 大型の計測機器などを使って実験や分析を行っているところが多いのですが、 火原研究室の主な研究の舞台はシリコンゴム製のデバイスでできた 「手のひらサイズの実験室」。 その微小空間の中で起こる溶液化学・界面化学の現象を解明し、 新しい分析法や計測技術の開発に挑戦することで、 微小空間
化学の学問体系の確立、 応用分野への貢献を目指しています。

23 TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

04

社会とシームレスにつながる
ナノ・マイクロ分析法の礎を築く
日常生活の中でも耳にすることの多い「分析」は、生物、医療、食品などあらゆる場面で必要とされる操作であり、そのためさまざまな手法が、数多くの研究者によって開発・実用化されてきました。例えばがん細胞を検出する際、細胞を培養した溶液の中に試薬を入れて反応を観察するという方法もその一つ。
しかしこの場合、細胞の個性までは分かりません。たった一つの細胞が反応しただけの可能性もあり、それがどのような働きをし、全体にどのような影響を与えているのかを詳らかにすることは、技術的に難しいと言われてきました。
細胞を一つずつ丁寧に調べることはできないか。
そこで注目されたのが、マイクロデバイスを使った「単一細胞分析」
です。細胞と同程度の10μmの微小油中水滴における界面現象を利用し、その中で一つずつ分析することで、DNAやRNA、タンパク質な多元物質科学研究所
ナノ・マイクロ計測化学研究分野

教授

火原
彰秀
HIBARA , Akihide

1972年、広島県生まれ。1995年東京大学工学部化学生命工学科卒業、1997年東京大学工学
系応用化学専攻修士課程修了、1998年博士課

どの物性を調べたり、内容物を計測することもできるようになります。
マイクロデバイスを使った分析が注目されるようになったのは1993年。電気泳動でデバイスを小さくしたことで、DNA分離の高速化が可能になったため実用性が認められるようになりました。
そんな分野の黎明期に研究をスタートさせた火原教授。未だ解明されていない部分が多い分野だからこそ、基礎研究が重要であると考えています。
〈研究テーマ〉• ナノ・マイクロ流体デバイスを用いる簡易・自動化化学分析• 界面化学に基づく液膜型分離・濃縮法• 顕微イメージング法およびマイクロ空間検出法

程中退、1999年東京大学工学系研究科助手、2003年博士号（工学）取得、2003年東京大学
工学系研究科講師、2007年東京大学生産技術研究所准教授、2013年東京工業大学理工学研
究科理学系准教授、2016年東北大学多元物質科学研究所教授。
http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/hibara/TAGEN FOREFRONT 24

FOREFRONT REVIEW

04

より緻密なバイオ分析を可能にする
分離・濃縮の「デジタル」化への挑戦

微小空間におけるミセルのはたらきは、研究室に在籍するスタッフが学生時代に偶然発見したもの。一般的な現象もマイクロデバイスの中で意識的に検証する研究者は意外と少ない。

界面活性剤がつくる「ミセル」のはたらきがヒントにす。
「ミクロの世界では重力より表面張力

はミセルが微小液滴から水分を奪い、液の方が支配的になる。そのためデバイス

滴の周りにナノサイズの水滴を作るように

微小空間における分析化学では、界の中では同じ大きさの液滴が作られる。

はたらいていたのです。そこで一つの疑面活性剤をまとった液滴一つひとつを検液滴同士が混ざり合わないようにするた問が生じました。液滴から水が抜け出て証の対象としています。マイクロデバイス

めには界面活性剤を使用して安定化さいくとき、中に含まれている溶質はどうなに溶液を流し入れることで同じ大きさのせる必要があるのですが、このとき液滴るのでしょうか。

液滴をいくつも生成することができ、このの周りには、
さらに小さなナノサイズの水液滴を使って内容物の測定や時間経過

滴が無数に発生します」と火原教授。

によるはたらきの変化の観察など行いま

別の実験中に偶然発見されたこのナノ水滴。
これは界面活性そこで火原教授は、蛍光性のルテニウ剤が作る「ミセル」の働き

ム錯体を使った実験で、自然乳化後の液によるもので、微小空間で滴の蛍光強度を測定。20μmだった液滴分析を行う基礎を形作っは3分後には5μmにまで縮小しましたが、ていると火原教授はいい

全体蛍光強度に変化はなく、100〜200ます 。
「 界 面 活 性 剤には倍の濃縮に成功したことを示していまし親 水 基と疎 水 基があり、た。一方、
ポリエチレングリコールで同様

油相中で自己集合してミの実験を行うと、濃縮されず水とともに液セルを形 成した際に周り滴から抜け出てしまう。溶質の種類によっから水を集めて親水空間て濃縮するか分離するかが異なるとともを作ろうとする性質がありに、分析において重要なこの2つの操作なる。
デバイスを小さくする

ます。乳液を作るときなど

が、微小空間ではリモートに行えるということで実用性が飛躍的にに用いられる“自然乳化”

ことを示唆していました。2つの試薬を混として以 前から知られてぜた実験ではこの操作が同時に行えるこ

いましたが、微 小 空 間でとを確認し、微小空間における分析化学

シリコンゴムやガラスで作られたマイクロ分析チップの中で細胞など微細な対象の分析・検証が可能に

向上し、
以来、
盛んに研究
されるようになった。

「何でも見るのが好き」、 多種多様なスポーツを楽しみます
野球やサッカー、
ラグビー、
アメフトなどさまざまなジャンルのスポーツを観戦するのが好きですね。
特に広島出身なので、「 広島カープ」や「サンフレッチェ広島」
が出る試合は積極的にスタジアムに見に行きます。一つ残念なのは、どちらも仙台には年に1回くらいしか来ないこと。野球も交流戦だけなのでしょうがないですが、その分、所長や多元研のみんなと一緒に楽天戦を見に行きます。
スポーツ観戦は昔から好きで、テレビを見ながら熱心にルールを覚えようとしたり、どうしてこのスポーツはおもしろいのか、選手たちはなぜこんなに真剣に戦うのか、ということを考えるような子どもでした。気になったことはなんでも掘り下げたくなるんですよね。おかげで「スポーツ観戦のおもしろさ」について学会誌のリレーエッセイに寄稿したこともあるんですよ。

25 TAGEN FOREFRONT

自然乳化を利用して濃縮と分離をコントロール

MY FAVORITE

ルテニウム錯体で自然乳化後の濃度の変化を測定。乳化によって液滴から水が抜けてい

TERM INFORMATION

くも、
中に含まれていた色素はミセル

液中に留まり、
時間経過とともミセルとは、衣料用洗剤などに含まれる界面活性に濃縮されている様子が確認できる。

剤が溶液中で形成する分子集合体である。界面活性剤は、1つの分子の中に親水部分と疎水部分をもち、液体に低濃度で溶解しているときは単分子として孤立している。これに対して高濃度溶
液では、分子集合体であるミセルを形成する。水
溶液中では疎水部分同士が集合して、親水部分
を外に向けたら集合体を形成する。
ここでは、有機相中で親水基同士が集合して、水や親水性物質を内側に含むことができる親水空間をつくる。

ルテニウム錯体の基礎を着実に固めていくこととなります。

質の分離操作が必要となります。
しかしタ「現在は何がどこまで濃縮するのか、しンパク質のように分子量の大きな生体高ないのか、どんな原理があるのかといっ

分子は、液滴から出ていく速度が遅く、こたことが分かってきています。濃縮にかかれをいかに早くするかで、微小空間におる時間の調整も可能です」。

けるDNAやタンパク質を対象としたバイ

調 整の鍵を握るのがミセルです 。例

オ分析の可能性が大きく広がります。

重金属であるルテニウムのイオンは水溶液中でイオンの周囲にさまざまな物質を配位して錯体を形成する。ここでは、
ビピリジンという含窒素有機物
を1イオンあたり3分子配位して安定な構造を作る。強い光吸収、弱い蛍光をもつため色素として用いられることがある。

自然乳化

えば、分配平衡を利用して、①水を多く「微小液滴とミセルの水相では溶質の持つミセル②水をほとんど持たないミ濃度が異なるため、濃度勾配によって液セル を作ります。①は既に水を持つた滴から出ていく溶質の量が増えるのでは

エマルションを作る過程を乳化という。通常の乳め液滴からは水をほとんど抜かず、逆にないか。流体の流れが遅ければ出ていき②は液滴から水を勢いよく吸い上げる。

やすく、流れが速いと通過時間が短くなるある。これに対して界面活性剤や溶媒の種類に「塩の濃度によってミセルの疎水化・親ため出て行きにくくなるのではないか。そ水化が可能になることから、塩の種類との仮説に基づいて流体の速度を変えたと濃度、分子量の違い、ミセルの通過速度

ころ、遅いときは液滴中の溶質の濃度がなど、水相の条件を変えることで液滴の下がり、流れが速いと溶質は液滴中に留濃縮をコントロールできるようになります。

まって濃縮されることが確認できました」。

など（抗原）が入り込むと、体液中に抗体という物

この原理はイムノアッセイにも応用されて流速を変えることで分離させる対象をコン質が形成される。この抗原－抗体反応は非常にいます」。

トロールできるようになるということは、濃原のみと強く結合する。この性質を利用して生体

イムノアッセイへの応用で
バイオ分析の可能性を広げる

縮させたい物質・分離させたい物質をある程度選べる、ということにもつながり、より精度の高い分析が可能となります。

油相中に小さな水滴がある状態、あるいは水相中に小さな油滴がある状態をエマルションとよび、化では機械的な撹拌や、多孔膜を用いる方法が
よっては二液体の接触のみで乳化が進行することがあり、この現象を自然乳化と呼ぶ。自発乳化とも言う。

イムノアッセイ動物に、他の動物由来のタンパク質などの物質

特異的な反応で、1つの抗体はその対象とする抗中の目的物質を特異的に分析する手法をイムノ
アッセイと呼ぶ。大きな分子を目的物質とする場
合、酵素標識抗体を用いるE L I S A（ E n z y m e linked immunosorbent assay）
が多用される。小分子をターゲットとする場合、目的分子と人抗原と抗体による免疫反応を利用して工分子の抗体への結合が競合することを利用し微量物質の検出・定量を行うイムノアッセ

た競合イムノアッセイが用いられる。

イ（免疫測定法）では、液滴に含まれる溶
生体高分子
分子量の大きな物質を高分子と呼び、生体関連物
質の場合には生体高分子と呼ぶ。DNAやタンパク質を総称したい場合にこのような呼び方をする。

濃縮は、ミセルが液滴の周りを通過するときの速度と、液滴中に「タンパク質やDNAのような生体高分子を対含まれる内容物の分子量に左右される。
その時間スケールは象とした分析法の確立が本命」と語る火原

約0.1〜1秒。

教授は、さまざまな分野に技術を応用し、研究の裾野を広げている。

TAGEN FOREFRONT 26

FOREFRONT REVIEW

04

実用的な測定・分析法の確立
他分野への貢献も視野に入れて煩雑な作業の繰り返しになる不均一系イムノアッセイに対し、蛍光偏光イムノアッセイは混ぜるだけで濃度測定ができることから「ワンステップイムノアッセイ」
とも
呼ばれる。

「蛍光偏光イムノアッセイ」で時間短縮・低コスト化を実現
イムノアッセイは、さまざまな成分が入り混じった溶液の中でも、抗体が抗原に引洗浄を複数回繰り返す「不均一系イムノき、抗体と非結合のトレーサーは高速にアッセイ」による手法が一般的。
しかし作

回転しランダムな偏光を持つ蛍光を発す業が煩雑で時間がかかるという欠点がるのに対し、抗体と結合したトレーサーはありました。

回転運動が抑制されるため偏った偏光きつけられる性 質を利用した分 析 法でそこで火原教授が提案したのが「イを持つ蛍光を発します。
この蛍光偏光度す。
タンパク質や農薬、抗生物質などにメージング蛍光偏光イムノアッセイ」です。

によって標的物質の濃度を測ることがで反応する抗体をそれぞれ作り、分析を行

この方法では偏光させた励起光をトレーきるようになります。分離や洗浄、抗体のいます。特にタンパク質のような生体高分

サー分子（蛍光色素標識標的物質）に固定化を必要とせず、さらに多サンプル

子は、抗体を固体表面に固定し、分離と照射します。蛍光原子団が励起状態のとを同時に測定することも可能。画像化には液晶ディスプレイに使われるような液晶素子とイメージセンサーを利用するため、コストを抑えつつ、短時間で測定・分析することができるようになるといいます。

共同研究によってシステムの小型化を目指す
火原教授は現在、北海道大学およびTianma Japan,Ltd.との共同研究の中で、この蛍 光 偏 光イメージングシステム
を使った装置の小型化を進めています。
「目指しているのはスマートフォンサイズ
の解析機器。小さいと研究室や実験室
液晶素子を利用したイメージングシステム。従来法は偏光板を回転させフォ
トダイオードで撮影していたため機材が高額になりやすいという課題があった。

美しい絵画作品、ヨーロッパの風情ある町並みに魅了されて学会の都合で海外出張が多いのですが、その際は大抵現地の美術館に足を運び、絵画鑑賞を楽しんでいます。
レンブラントからモネまで、良いと思った作品やヨーロッパの風情ある町並みを見て歩く時間が好きなんですよね。お気に入りの場所はロシア美術の殿堂・国立トレチャコフ美術館。
ロシアの研究者と一緒に仕事をする機会が多いので、モスクワに行くたびに立ち寄っています。
何でも掘り下げたくなるとは言っても、芸術だけは別。絵画は、言葉では表せないことを作品で表現しているのだと思うから、深く掘り下げて研究する対象としては違うのかもしれません。
国内にいるときは美術館や博物館で開催している企画展によく行きます。最近では東北歴史博
物館で開催されていた特別展「東大寺と東北― 復興を支えた人々の祈り―」が特に印象的でした。

27 TAGEN FOREFRONTの中でも場所を取らないし、持ち運びしやすく、その場ですぐ測定できる点が利点」

OFF TIMETERM INFORMATION
トレーサー
競合イムノアッセイ法において、抗原（分析対象物質）と競合して抗体と結合する分子であるトレーサーを用いる。抗原が非蛍光性、トレーサーが蛍光性の場合、抗原―抗体複合体の蛍光強度が、サンプル中の抗原濃度に対応することを利用して抗原定量が可能になる。

蛍光偏光度
色素分子が光を吸収した後に発光する光を蛍光と呼ぶ。色素分子を直線偏光で励起した場合、励起した光と同じ偏光をもつ蛍光、その他の角度で偏光した光などが放出される。蛍光偏光度は、
すべての蛍光のうち、励起光と同じ偏光をもつ光の割合を示す。
北海道大学、Tianma Japan,Ltd.との共同研究では細菌やウィルスといった微細物質を蛍光偏光イムノアッセイによって検出・分析する機器を開発。小型化によってさらに実用性が向上することが期待されている。

蛍光偏光イメージングシステム
蛍光偏光度を測定するには、通常偏光子や光検出器を組み合わせて光学セル中の試料を測定対だと語る教授に賛同し、北海道立衛生研の世界では、過飽和か未飽和かに、表究所では実機を導入し、小麦に発生する面 張 力が影 響します。
しかし水 滴の表

メージングシステムは、液晶素子とイメージング素子

カビ毒・デオキシニバレノールの一次検査

面張力を正確に測る方法はなく、2014年（CCDやCMOS）
を利用して、蛍光偏光度の分に利用可能であることを実証しています。

に発表された著名研究者の論文ではミ機械部品や、光を分割する方式を用いないため、「ほかにもこの機器を使って家畜の病気

リメートルスケールの水滴を使った表面や鳥インフルエンザの検出にも役立てよう

張力測定を試みるに留まっています。

象とする。
これに対してここで紹介する蛍光偏光イ

布を一気に画像化するシステムである。回転する
安価・小型で明るい計測システムが実現された。

エアロゾル水滴という動きがあります。
これが実現すれば火原教授が得意とする光による測定

鳥類の動態を調査する際、
どの場所の

法は、
これまで難しいとされてきたエアロ

鳥が病気を持っているかといった検査がゾルの表面張力の測定を可能にしましその場ですぐにできるためメリットは大きた。
「準弾性レーザー散乱法」と呼ばれるい」。分析機器の小型化は、
マイクロデバ

この手法は対象の表面張力波の自発共イスを使った微小空間での分析が可能と鳴を利用して測定します。
さらに小さな液したもの。火原教授が進めてきた基礎研

滴を測定するための新たなトラップ法の究が徐々に実を結び、さまざまな分野へ

開発などの課題はありますが、エアロゾの貢献にもつながりつつあります。

ルの表面張力を測定するほとんど唯一が、波の波長とちょうど同じだったり、波長の整数の計測手法として、近年盛んに研究が行を共鳴とよぶ。ここでは、水面などの自由界面にわれている環境科学分野を中心に大きく

熱揺らぎにより発生した波が、マイクロ空間で共エアロゾルの表面張力測定で環境科学分野への貢献も期待

貢献することが期待されています。

気体中に分散した液体または固体をエアロゾルと呼び、そのうち特に液体の水が空気中に分散したものをエアロゾル水滴と呼ぶ。エアロゾル水滴の生成は、雲形成や降水現象とも深く関わっており、その基礎過程解明が望まれている。

自発共鳴
波には波長がある。波を伝える物質の大きさ・長さ倍だったりするとき、波の振れ幅が大きくなる現象

鳴する現象を自発共鳴と呼んでいる。

他分野への貢献という点で火原教授が進めているもう一つの研究が、エアロ
ゾル水滴の表面張力の測定です。
「エア
ロゾル水滴は雲の生成や降水・気象予測に大きな影響を与えます。空気中の水蒸気が上昇気流に乗って上空に持ち上げられるとき、周囲は湿度100％以下のため水蒸気中の水滴から水が抜け出ていき、外に出ていけない物質は固体として濃縮されます。雲は、湿度100％を越えた”過飽和”の環境でこの固体を核に水が凝集したときに生成されます」。
ミクロ

イメージセンサーの視野に収まる範囲であれば多サンプ
ルの同時測定も可能。
火原教授は東京工業大学勤務
時代に世界で初めて同時蛍光偏光測定に成功した。

TAGEN FOREFRONT 28

FOREFRONT REVIEW

2016 年に大阪大学から東北大学に赴任してきた水上教授。 研究室では、 教授が築き上げてきた蛍光色素を使ったタンパク質ラベル化技術を基盤に、 生体分子を見ること、 光を使って生体分子を操作することで、 生命現象や疾患メカニズムの解明を目指しています。
さらに生体分子の可視化に必要となる機能性分子の開発を応用し、ゆくゆくは創薬研究・開発につながることが期待されています。

29 TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

05

センシング技術の開発とともに生きた細胞の機能に迫る
体内に含まれる細胞や分子が相互に作用しながら、さまざまな機能を発現する私たちの体。その生体分子のはたらきを正確に理解するためには、ほかの生体分子との相互作用が保たれた状態、つまり生きた状態で観察・検証を進める必要があります。
この生体分子の「見える化」の研究に長年取り組んでいるのが、生物有機化学、
ケミ
カルバイオロジーを専門とする水上教授です。
現在は多元物質科学研究所の教員であり、東北大学大学院理学研究科、生命科学研究科でも教鞭をとる教授ですが、4年前まで勤めていた大阪大学では蛋白質を蛍光色素で修飾する「蛋白質のラベル化技術」や生体分子や細胞の活性を蛍光顕微鏡やMRIで可視化する「バイオイメージングプローブ」の開発に携わっていました。生きた動物体内のがん細胞や酵素活性の検出にも取り組むな
多元物質科学研究所
細胞機能分子化学研究分野

教授

水上
進
MIZUKAMI, Shin

1974年、東京都生まれ。1997年東京大学薬学 部 卒 業 、2 0 0 2 年 東 京 大 学 大 学 院 薬 学 系研究科博士課程修了（薬学）、2002年産業技術総合研究所界面ナノアーキテクトニクス研究センター・産 総 研 特 別 研 究員、2 0 0 4 年スタン
フォード大学 化学科・日本学術振興会海外特別研究員、2005年大阪大学大学院工学研究科生命先端工学専攻・助手、2007年大阪大学
大学院工学研究科生命先端工学専攻・助教、2009年大阪大学大学院工学研究科生命先端工学専攻・准教授、2009年大阪大学免疫学
フロンティア研究センター・准教授（兼）、2016
年東北大学多元物質科学研究所教授。

ど、生命の中で分子や細胞が実際にどのように機能しているのかを追求し続けています。
生きた動物や細胞の中で生体分子を直接観察することは非常に難しく、それを可能とするには機能性分子などを用いる必要があります。そこで水上教授は、有機合成化学や蛋白質工学などの技術を駆使して局所レベルで機能する分子を開発しています。
レーザーなどの光技術と融合させることで、生体分子のはたらきを「見る」こと、
そしてはたらきを理解した上で生体分子の機能を「操作する」こと、
この2つのオリジナル技術を飛び道具として用いることで、生命現象
や疾患メカニズムを解明し、将来的に産業応用につなげることを目指しています。

http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/m iz uka m i /TAGEN FOREFRONT 30

FOREFRONT REVIEW

かつて水上教授が取り組んでい05

た破骨細胞活性のイメージングでは、生きた動物体内の破骨細胞が骨をどのように溶かすのかを観察することに成功している。

低分子とタンパク質を融合した
ハイブリッドプローブへの道と話す水上教授。核や細胞質、細胞膜など、どこにタグ蛋白質を発現させるかは
遺伝子工学技術を利用します。
「つまり、
タグ蛋白質に集積する分子プローブを開可視化プローブを細胞内の微小領域に配置するれていません。そこで、それらの生体分発すれば、核やミトコンドリア内の生体分子の機能を明らかにするためには、
まず子を見ることができるのです」。

細胞内には、核や小胞体、ゴルジ体、
ミ

その生体分子を「見る」必要があります。

トコンドリアといったオルガネラ（細胞小器

ここで重要となるのが、水上教授が長年官）と呼ばれる構造体があります。細胞研究してきた蛋白質のラベル化技術で内分子はその局在によって機能が制御す。
「この技術は生命科学において、
ここ

通常の低分子蛍光プローブは細胞にされていることが分かってきました。近年

数年大きな存在感を示していて、“ Halo投与しても数時間で排出されるため、長目覚ましく発展を遂げた超解像蛍光顕

TagR ”などの技術が市販されています。

時間にわたって生体分子のはたらきを測微鏡などの技術によってオルガネラの微

これはタグ蛋白質と呼ばれる蛋白質を利定することは困難でした。長時間の測定

細構造を観察することは可能になってき用したツールで、これに特異的に結合すができないことによってそのはたらきが十ましたが、その中で生体分子がどのようるリガンドを持った可視化プローブを細胞分に解明されていない細胞内イオンとしな動きをし、
どのような機能を持っているに投与することで、
タグ蛋白質が発現すて水上教授が目をつけたのが、マグネシのかということについてはほとんど解明さる場所に生体分子を見る可視化プロー

ウムイオンです。
「細胞内マグネシウムイ

ブを局 在 化させオンはこれまで長時間にわたって連続的ることができます」に見る手法はありませんでした。
しかし、オルガネラ内の生体分子ダイナミクス

細胞内金属イオンを長い時間観察する

蛋白質ラベル化技術を用いれば細胞の中にとどめることができます。発生や抗が水上教授が開発したラベル化技術ではペニシリンがリガンドとして使われる。こ

トーシス（細胞死）は数時間以上を要す

れは、標的タンパク質がペる細胞内現象です。我々の開発したプ

ニシリンを付加した機能性分子と結合しやすい性質をローブによって、アポトーシスにおいてマグ利用したもので、ペニシリン

ネシウムイオン濃度がどのように変化するに蛍光色素を加えることで標的タンパク質を蛍光色素で修飾できるようになる。

さが料理得意はケミストの性？ ワインとにんにくで本格風に一人暮らしの頃から料理をしていて、日曜日は疲れていなければ自分で料理をすることは多いです。合成化学をやっている人は同意されると思いますが、熱を加えると性質が変わる――色が変わったり、
おいしくなったりするところは有機合成と良く似ています。よく作るのは子どもからのリクエストが多いパスタです。種類は何でも作りますが、基本的にワインとにんにくを多めに使うのがこだわりポイント。子どもにはやっぱりミートソースが一番人気です。
外でお酒を飲むのも好きです。最近はお酒を飲めない（飲まない？）学生が多いのが少し残念ですが、研究室の飲み会では多国籍な雰囲気を楽しんでいます。

31 TAGEN FOREFRONT

ん剤の作用機構で重要なカギを握るアポのかを連続的に見ることが可能になりました。24時間以上の連続的イメージングも

MY FAVORITE

アポトーシス時の細胞内Mg ²+イメージング

TERM INFORMATION
バイオイメージング
生きた細胞や組織、あるいは動物個体中の生体分子を可視化して観察する分析技術。細胞生物学における蛍光イメージングが代表的な手法である。近年、顕微鏡やレーザーなどの技術が著しく進展し、蛍光プローブを用いることにより、生細胞内の分子や微細構造を短時間で高精度に観察することが可能となっている。

蛍光プローブプローブ（probe）
は探索針の意味で、イメージング研究では対象分子を認識して、機器測定により検出可能なシグナルを発する化合物に対して用いられる。特に蛍光イメージング実験に用いるもの
（上）
試薬MGH
（AM）
は細胞内に入ると活性化してMGHになり、マグネシウムイオンセンサ―となる。細胞質に発現させたHaloTagと結合すると、細胞外への排出が抑制され、長時間のイメージング実験が可能になる。
（下）
アポトーシスを誘導すると、数時間で細胞は凝縮し、アポトーシスが始まる。細胞体積（画像中の細胞面積）の著しい減少の後、ATP濃度の減少とともにMg²+濃度の上昇が観察された。

を蛍光プローブと呼ぶ。実用的なものは低分子プローブと蛋白質プローブが大半を占めるが、近年の医学・生命科学研究において欠くことのできない研究ツールとなっている。

可能であり、蛍光プローブを核に局在さ鉛濃度の定量に関するものがあります。
こ

リガンド

せて観察を続けると、細胞分裂を起こす

れは多元物質科学研究所・生体分子構

蛋白質に結合する分子のこと。細胞膜上の受容細胞が出てきます。分裂期の細胞と分裂造研究分野の稲葉謙次教授とともに進していない細胞のマグネシウム濃度の比

めている共同研究で、核・ミトコンドリア・小較なども可能です」。
この技術により、
アポ胞体・ゴルジ体などに存在する亜鉛イオ

トーシスや細胞分裂が起こる際、どちらもンの濃度を測定しています。
「これまでも、細胞内や核内のマグネシウムイオンの濃複数の海外のグループによって蛋白質プ度が上昇することが確認されました。
「細ローブを用いた細胞内亜鉛イオンの濃度

標的蛋白質に選択的にラベルする技術。標的胞分裂が始まるとマグネシウムイオンの定量に関する報告はありました。
しかし、せ、
プラスミドなどを用いて生細胞に導入できる。

濃度は上がり、分裂が終わると元の濃度

幾つかのオルガネラ内の亜鉛濃度は関に戻ります。別の方法で測ることのできる

連データとの矛盾が見られており、正確なATP（アデノシン三リン酸）の濃度と関連濃度は報告値とは異なる可能性が指摘していると考えています」。長時間の測定されています」。共同研究を通して測定さが可能なセンシング技術として確かな手れた濃度定量データが正しいことを証明

応えを感じながら、研究を進めています。

できれば、これまでの通説を覆すだけでな

低分子―蛋白質ハイブリッド
プローブが拓く高精度測定体に結合して細胞内にシグナルを伝達する分子などが知られる。

蛋白質ラベル化技術
タグ蛋白質とそれに特異的に結合するリガンドを用いて、特定の機能性分子（蛍光色素など）を蛋白質は遺伝子工学的手法によりタグを融合さ®
HaloTag （Promega社）
やSNAP-tag ™
（NewEngland Biolabs社）など市販されているものもある。

く、生命科学の進展を促進する、
より高精度の濃度定量技術が確立されたといえるかもしれません。

学内での共同研究も積極的に進めて「今後はマグネシウムや亜鉛以外の金います。蛋白質ラベル化技術を活用した属イオンに対するプローブの開発も考え

可視化研究の一つに、オルガネラ内の亜ています。
また、複数のイオン濃度やpHを同時に測定し、イオン間のクロストーク、例
えば一方の金属イオンの濃度が上がった
ときにもう一方の濃度はどのように変化す
るのか、といったことを定量的に検証していきたいと考えています」。
有機合成化学と遺伝子工学の技術を応用して分子設計を行うこと
で、低分子とタンパク質による高機能センサーをつくることができる。

TAGEN FOREFRONT 32

FOREFRONT REVIEW

05

光を使うことで、人工的に再現した疾患が活性時はどのような病態を示
すか、
どのように阻害できるか、など疾患関連タンパク質のより詳細な検討が可能になるという。

光応答性リガンドを開発し、生体機能を制御する試み
HaloTag ®リガンドと光感受性保護基をケージド化合物による蛋白質の動きの光誘導

修飾したBL-tagリガンドをリンカーで連結一つが以前から広く知られていた「ケージしたもの。
こうすることで、初期段階におド化合物」を使った手法。生理活性分子

いてこの分子は蛋白質Aとは結合し、蛋

光応答性蛋白質であるチャネルロドプ

を光感受性保護基で修飾して一時的に白質Bとは結合しない状態をつくります。
こ

シンを使って神経細胞を光で操作する光

不活性にし、光を照射すると保護基が分

こに光を当てると保護基が脱離し、蛋白遺伝学（オプトジェネティクス）の研究が、離して活性化するという性質を利用して、質Aと蛋白質Bが合成分子を介して連結

近年盛んに行われています。水上教授は細胞内の蛋白質の移動を可能にします。

します。
「たとえば蛋白質Aをあるオルガネ

有機合成化学的なアプローチによって光

例えば、HaloTag と融合させた標的蛋

ラに、蛋白質Bを細胞質に発現させ、ここを照射したときに構造変化を引き起こす

白質Aと、研究室で独自に開発したBL-にケージド化合物を加えて光を当てる。す生理活性分子を設計、「生体機能を光でtagと融合させ別の蛋白質Bをそれぞれると細胞質にいた蛋白質Bが蛋白質Aの操作する」試みを続けています。

細胞内に発現させ、そこに別途設計した

局在する場所に近づく様子を観察するこ

ケージド化合物を加えます。
この分子はとができます。蛋白質の中には局在するアプローチ方法は二つあります。その®

場所によってその機能を変化させるもの

光を用いた細胞内蛋白質の局所移行制御が知られているので、光を当てて蛋白質を自在に移動させることができれば、さま
ざまな細胞機能を光で制御することができ、病態モデル細胞の作製など様々な応用につながると考えています」。

光で薬物構造をスイッチする
創薬の新たな可能性
もう一つが「フォトスイッチ化合物」を使ったアプローチです。
これは光を照射ケージド化合物に光を当てると光感受性保護基が脱離し、2種類の標的蛋白質を結合させることができる。このシスすると構造が変化し、別の光を当てるとテムを応用することで標的蛋白質の光照射部位への移行を誘導できる。

元の構造に戻るような分子です。たとえ

子どもと一緒に将棋対局。 常に真剣勝負です
休日は子どもと過ごすことが多いですね。子供に将棋を教えたら打てるようになったので、一緒に将棋をすることもあります。ネット将棋も良くやりますし、YouTubeの対局動画の解説を見ながら戦術を勉強することもあります。
将棋に関連したところでもう一つ。プロ棋士の羽生善治永世七冠が強豪チェスプレイヤーであることは有名な話ですが、彼が「チェスの戦略は将棋でも通用する」
といった趣旨の話をしていたのを聞いてから、チェスも始めました。日本では将棋と比べると人気が無いので、ネットでの対戦相手はほとんど外国人です。

33 TAGEN FOREFRONTOFF TIME

光を使うメリットは、時間や空間、波長、強度などをある程度自由に制御できる点にあるという。体内に光を当てる方法は研究・検証が待たれる。

TERM INFORMATION
BL-tag技術

す。
こうしたシステムを利用することで、光照射した部位だけに効くような副作用を抑えられる薬の開発も可能になるでしょう」。
水上教授は自信をのぞかせます。

薬剤耐性細菌が持っているペニシリンなどのβ-ラクタム抗菌薬を分解する酵素β-ラクタマーゼに基づく蛋白質ラベル化技術。
β-ラクタマーゼの一つのアミノ酸を変異させると、β-ラクタム抗菌薬と共有結合を形成し、安定に存在する。そこでこの変異体酵素をタグ（BL-tag）、
β-ラクタム抗菌薬をリガンドとして、蛋白質ラベル化技術に応用できる。

光で、見る
光で、操作する

ケージド化合物
光をあてると切断される保護基で活性を抑えた生ば片方の構造ではある蛋白質に結合す光を使って生体分子の動きや機能を見る活性を持ち、
もう片方の構造では持たるだけでなく、生体分子同士を融合させないようなフォトスイッチ化合物を設計す

る、
あるいは可逆的に結合と解離を制御ることで、はじめは蛋白質にくっつかず、する。
これにより、光を照射することで生体光を当てると結合し、別の光に変えると再内の蛋白質の局在を変化させたり、そのび解離するといった可逆性をもたせるこ機能を阻害させたり活性化させたりすることが可能です。水上教授はこのようなフォとで、様々な細胞機能の制御が可能とな

フォトクロミック化合物とも言われる。特定の波長

トスイッチ化合物を、標的蛋白質・ジヒドロ

ります。現在、生命科学や医学では酵素が変化する。その後は速やかに元に戻るものと、

葉酸還元酵素（DHFR）とその阻害剤での阻害剤や受容体のアンタゴニストなどのある抗がん剤・メトトレキサート（MTX）複さまざまな試薬を使って細胞機能を調べ合体の結晶構造を参考に開発。光を吸る研究が盛んに行われていますが、時間収するとシス体からトランス体へと異性化

分解能と空間分解能を加えられる光を利し、シス体のときはDHFRに結合し、トラン用することで、より精密な革新技術の開発

ス体のときは解離するような分子設計によにつながる、と水上教授は考えています。

ジヒドロ葉酸還元酵素（dihydrofolate reductase:
DHFR）

り、365nmの紫外線と560nmの可視光を「将来的には、可視化プローブを使っ基質のジヒドロ葉酸をテトラヒドロ葉酸に還元する

交互に当てたときに可逆的に結合・解離た生体分子機能のイメージング技術と、をスイッチングすることを達成しました。

フォトスイッチ化合物あるいはケージド化「フォトスイッチ阻害剤を通常はトランス合物による生体分子機能の光操作技術

体が安定で、
この状態では低い濃度で存とを組み合わせ、生命現象や疾患メカニ

在していてもDHFRは通常通り酵素反応

ズムの解明につなげていきたいと考えてを示します。365nmの紫外線をあててシスいます」。
「見る」ことと「操作する」ことは構造にすると酵素反応が止まり、515nm

古くから生命科学研究手法の根幹となるの可視光をあてると再度反応が進みま手法でした。光に応答する有機化合物をフォトスイッチ阻害剤の構造と光化学物性

理活性分子。顕微鏡で観察しながら、レーザーを照射することで、サンプルの一部分だけで活性のある分子を発生させることができる技術として、特に神経科学の分野に大きな進展をもたらした。

フォトスイッチ化合物の光を吸収して構造変化を起こすと同時に、色調別の光を吸収すると基に戻るものなどが存在する。アゾベンゼンやジアリルエテンなどが代表的なものである。

酵素。テトラヒドロ葉酸はDNAなどの合成に必要な分子であり、
その活性を阻害することで細胞死を引き起こすことから、その阻害剤であるメトトレキ
サートは抗がん剤などの用途に使用されている。
また、細菌のDHFR（eDHFR）
を特異的に阻害する
トリメトプリムは抗菌剤として知られる。

開発することで、さらに高精度な研究が可能となりつつあります。
もともと不活性だった薬物を光やpH、低酸素などで活 性 化させるような機能性薬物が開発できれば、臨床応用可能な創薬にもつながるはず。長
期的な産業応用も見据

フォトスイッチ阻害剤の構造は紫外線を照射するとトランス体からシス体に変化えた研 究 が 医 薬 関 連

し、可視光を照射するとシス体からトランス体に戻る（上：化合物の構造変化、左業界にインパクトを与え

下：吸収スペクトルの変化）。
このうち、シス体のみが高い酵素阻害能を示す。
フォ
トスイッチ阻害剤の存在下でDHFRの酵素反応を行うと、紫外光（365 nm）
をる日も、
そう遠くないかも照射すると酵素反応は停止し、可視光（515 nm）
を照射すると再開する（右下）。

しれません。

TAGEN FOREFRONT 34

FOREFRONT REVIEW
高温水や非水溶媒を利用するソルボサーマル反応を主とした環境にやさしいソフトケミカル手法による材料合成を駆使して、 複合アニオン化合物等の無機材料合成とその電子構造制御、 無機ナノ材料の形態・結晶化度・結晶相・粒子
サイズの精密制御へ。 殷研究室では、環境調和・エネルギーの高効率利用・フォトンや化学物質による応答機能等を持つ
無機機能材料の創製及び環境応答機能性の高度発現に関する研究を行っています。

35 TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

06

ソフトケミカルプロセスによる機能性環境応答材料の創製「環境にやさしいものを開発する」。環境に負荷をかけないものを創製すると同時に、つくる「プロセス」においても環境に配慮することが求められる時代になっています。
殷研究室が行っている研究のポイントは、環境にやさしい「ソフトケミ
カル的な手法」を利用すること。
そしてこのプロセスをもとに、無機粉体
材料や薄膜材料のミクロ・メソ、
マイクロ構造制御を行い、新規材料創製及び既存材料機能の高度化を目指し、
環境応答機能を有するエコ
マテリアルの創製とその機能評価・特性の発現機構の解明や制御などに関する研究課題に取り組んでいます。
バルク材料・粉体材料及び薄膜材料合成には、比較的低温で実施可能な溶液プロセス、
メカノケミカル処理、酸素プラズマ処理などを利用し、環境負荷の少ない温和な合成プロセスの利用により、無機材料
多元物質科学研究所
附属新機能無機物質探索研究センター
環境無機材料化学研究分野

殷
澍

教授

YIN, Shu

1 9 6 5 年 、中 国 安 徽 省 生まれ。東北大学工学のサイズ・形態・結晶化度・表面性状の精密制御を行い、高い物理・化学機能性を有する無機環境材料の合成を行っており、環境以外の多くの分野での活用も期待できます。
殷研究室が行う研究のトピックスは３つのキーワードから構成されています。①プロセス制御、②環境(光や化学物質)応答機能性制御、③
新機能探索です。
このキーワードをもとに高い環境応答機能を有する
材料を環境負荷の低いプロセスで創製することを目指しています。
サイズや形態が制御された金属酸化物・酸窒化物ナノ粒子及びマ
イクロ粒子を効率よく合成できる手法を開発し、ユニークな形態を有す
る無機ナノ材料の創製及びサイズや特異的な形態に基づく新機能発現について検討を行っています。

研 究 科 博 士 課 程 後 期 修 了 。工 学 博 士 。高 知
大 学 客員研 究員、東 北 大 学 反 応 化 学 研 究 所
助手、同多元物質科学研究所講師・准教授を経て、2016年より現職。
http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/yin/〈研究テーマ〉• グリーンプロセスによる無機化合物の創製［プロセス］• 窒化物・酸窒化物のナノ構造制御と機能性発現［機能性発現］• フォトンエンジニアリングを中心とした機能性創出［光応答］• スマートウィンドウの構築とマルチ機能性• 二次元化合物を利用した環境応答機能材料

TAGEN FOREFRONT 36

FOREFRONT REVIEW

06

択することによって、溶解―再析出プロセスにおける溶質の溶解度制御を通じて、
粒子サイズ及び粒子形態を制御することが可能だと殷教授はいいます。殷研究室
では、ソルボサーマル反応による複合アニ

新しいソルボサーマル反応をもとに、無機材料合成と電子構造制御を実現

オン化合物の合成を行い、窒素やカーボ
ンドープ酸化チタン及びチタン酸ストロン
チウム等、数多くの優れた可視光応答性
光触媒の創製に成功しています。

新規ソルボサーマルプロセスで薄膜・粉体機能性材料の創製
環境時代、求められる
地球にやさしいプロセス
高い技術力と競争力があり、経済の発つくる。』そのひとつの答えが『ソルボサー

殷教授は水やアルコールを溶媒とする

マル反応』です」と自身の研究の方向性

通常のソルボサーマル反応プロセスと異を語る殷教授。

なり、高温におけるアルコールとカルボン展を支えている我が国の化学品製造産「ソルボサーマル反応」は、高温・高圧

酸のエステル化反応による水の生成反業。
しかし、未来に向けて地球温暖化のの溶媒を用いてナノ粒子を合成する一応を巧みに利用し、水分子を反応溶媒中問題、環境への負荷など様々な課題を抱つの方法で、1994年、高松における高温に精密に放出でき、粒子サイズや形態をえていて、持続的な生産プロセスの構築

流体の反応に関する国際会議の際に、精密に制御できる新しいソルボサーマルが急がれています。

溶媒（Solvent）と熱（Thermal）から造反応を開発しています。それが Water「このような状況の中で、我々は環境に語されたものです。
「高温高圧の熱水やControlled-Release Solvothermal

やさしいソフトケミカルプロセスに関して

有機溶媒のもとで行われる水熱反応やProcess（WCRSP）です。

研究を重ねてきました。
『 環境に配慮した

ソルボサーマル反応では、固相反応など「このWCRSPを利用することによって、合成プロセスで、環境に調和する材料をの高温法に比べ、環境にやさしいというメ

サイズや形態が制御された酸化チタン

リットがあります。
さらに溶媒性質の変化

ベース光触媒ナノ粒子の合成を提案しを利用することによって、無機ナノ粒子のています。代表的な合成条件として、
アル

化学組成、電子状態や形態・粒子サイズ

コールと酢酸のエステル化反応進行するの制御に有効です」。

ことによって、水分子が生成し、チタン酸テ

無機材料の機能性は、化学組成、イオ

トラ-n-ブチルとの加水反応が進行し、水

ンドープ、粒子サイズ、比表面積、粒子形

熱反応条件下では、酸化チタン微結晶と態、結晶面等に強く依存するので、自由して析出します。水の量は結晶化に大きくにそれらのファクターを制御できれば新た影響を与え、溶媒中の酢酸の割合を増やな機能発現の可能性が生まれます。
しかすことによって、生成・放出した水分子のし、通常の固相反応等の高温合成プロ量が増加し、粒子の成長を促進し、粒子無機材料を粒子サイズや粒子形態を効率よく制御でセスでは、ナノ結晶の合成および形態制

サイズが大きくなることが分かりました」。

きる「ソルボサーマル反応」。殷研究室では、「ソルボ

御は困難。それに対しソルボサーマル反

これまで、エタノールの他、ブタノール、

応では、異なる誘電率を有する溶媒を選

エチレングリコールなどの高級アルコール

サーマル反応」
を活用し、新たな機能発現を持つ無機材料の合成に取り組んでいます。

「土壌と空間を良くすればたくさん採れる」が家庭菜園の鉄則。研究も同じです
家庭菜園が好きで、ニンニク、ゴーヤ、唐辛子、茄子、
エンドウマメ、
トマト、
きゅうり、
ネギ、
ニラ、青梗菜、スイカなどを様々なものと作っています。
きゅうりが大好きで、新鮮で美味しい！ 毎日食べてもあきることがないですね。
トマトは失敗する時もありましたが、ある年、一株の苗から、1200個以上のミニトマトを収穫したこともありました（その年、毎日収穫数を記録しました）。夏の全盛期は真っ赤なトマト。
１１月中旬ころになるとさすがに青い状態でしたが3㎏の収穫、暖かい室内に保管すれば、そのうち赤くなります。
「たくさんの実を小さくてもいいからたくさん採れるようにしたい」。それが私の願いで、それには、土壌と空間が大事。これは我々の研究にも通じることですね。

37 TAGEN FOREFRONTMY FAVORITE

ち、窒 化 反 応 することによって、ガリウム酸窒化物
ナノ粒 子を得ることに成ソルボサーマル合成（Solvothermal Synthesis）

化物ナノ粒子は、
アセチレ

スの Gérard Demazeau（1943-2018）に提唱

ンブラックを用いず 水 熱されたコンセプトで、溶媒が水の場合は水熱合成
化物、窒化物等の半導体、セラミックス、
ポリマーなど、様々な材料を合成する手法に発展し、幅広

面積で、酸素含有量が多反応条件で利用され、溶媒の臨界温度以下ではい応用がされています。通常、1atm、沸点以上の亜臨界、臨界温度以上では超臨界とも呼ばれて「酸素含有量が多いこと
により、バンドギャップが使用できます。ナノ粒子の合成に関して盛んに研小さくなっていることがわかっていて、この高表面積および狭いバンドギャップに末、単結晶、ナノ結晶など様々な形状を作るのに究されており、更に、異なる誘電率を有する溶媒や添加剤の利用、溶媒の過飽和、溶質の濃度、反応速度などの精密制御により、球状や立方体

よって、高い光触媒NO X 分解能が示さ（3D）、板状（2D）、ロッドやワイヤ（1D）など様々れています。従来、窒化物・酸窒化物の状態の結晶を形成することができます。

ナノ構造体の合成例は少なく、本手法が他の物質のナノ構造化へ貢献すると考えられます」。
さらに、窒化物の形態制御を実現し、新にしています。

と呼ばれます。ソルボサーマル合成は、金属や酸います。ソルボサーマル合成は、薄膜、バルク粉

ＷＣＲＳＰによるマイクロ粒子の写真。優れた赤外線

酢酸ーエタノール混合溶媒中（数字は酢酸の割合）

高温・高圧の溶媒を用いる合成方法です。
フラン

ウム酸 窒 化 物よりも高 表
いことも示されています。

で合成。酸化チタンベース粒子のサイズ制御を可能

ソルボサーマル合成

功。得られたガリウム酸窒反応を行い窒化したガリ

遮蔽機能を実現しています。

TERM INFORMATION

たな機能性を発現する研究も行っています。
「形態が制御された水酸化物を前駆体として利用し、アンモニアガス中での窒な粒子形態を有する熱力学的安定状態・準安定

酸素プラズマ処理
プラズマとは、気体を構成する分子が電離し陽イ
オンと電子に分かれて運動している状態であり、電離した気体に相当します。酸素プラズマは低温
プラズマの一種であり、物理表面処理などとして利用されます。処理ガスとして減圧酸素ガスを用いることにより、例えばポリプロピレンを酸素プラズマで処理した場合、酸化反応により水酸基(-OH)、
カルポニル基(=CO)、カルボキシル基(-COOH)とと酢酸やブタン酸、ヘキサン酸、オクタン

化処理及び窒化におけるヒドラジンの添酸等の高級カルボン酸の混合物を反応

加等によって、比較的低い温度で板状、溶媒として利用することによって、高温でファイバー状及びナノサイズ等、様々な形のエステル化反応による水の生成と放出態の窒化物・酸窒化物の合成に成功しま

メカノケミカル処理を精密に制御し、光触媒粉体や赤外線した。
この形態制御により、高温焼結特物質に機械的エネルギーを与えると、物質の結合遮蔽機能粉体材料の合成に成功。
また、性、優れた水素やトルエンガスへの応答

状態が変化し、表面が活性化されます。衝撃、圧

サイズが制御されたタングステンセシウム

機能を発現することを実現しています」。

度が高く、そのエネルギーレベルは、熱化学を上回るといわれ、
これまでにも多くのユニークな現象が現しています。

報告されました。反応機構については不明な点が多いですが、無定形化と物質の相転移、メカノケミ

窒化物・酸窒化物をナノ構造制御し新たな環境応答性を生み出すな新規機能性が見出されたということで注目されています。我々は、比較的低い
温度で粒子形態やサイズの制御された
窒化物や酸窒化物の合成条件の探索を行っています」。
ガリウム源とアセチレンブラックおよびヘキサメチレンテトラミンからなる水溶液
を水熱処理することで得られる中間体を縮、せん断、摩擦などの機械的エネルギーを与える
ことにより、物質の結晶構造変化をもたらし、周囲
ケミカル処理は室温で操作可能ですが、局所温できるとともに、優れた物理化学特性を実ズの制御や形態を制御することで、様々の低温で施すことが可能です。

の物質と化学反応を起こすことがあります。
メカノや酸化チタン球状粒子等を効率よく合成「現在、金属窒化物・酸窒化物は、サイ

いった官能基が表面に生成され、同時にエッチン
グ反応による表面の粗化が起きます。100℃以下

カルドーピング、固相反応、鉱物処理、
レアメタル
回収、脱塩素等の化学反応など、多岐に渡り応用
ガリウム源とアセチレンブラックおよびヘキサメチレンテ
トラミンからなる水溶液を水熱処理することで得られる中間体を焼成して精製した（a）
Ga₂O₃ナノ粒子。
さらに窒化することにより、（b）
ガリウム酸窒化物ナノ粒子の合成に成功。
その透過電子顕微鏡
（TEM）
像です。

されている手法です。

複合アニオン化合物
複数のアニオンを同一化合物中に含む物質が複合アニオン化合物です。これまで酸化物を中心とした材料は様々な産業を支えてきました。水素や酸素、窒素、ハロゲンなどの軽元素アニオンは周期表で近い位置にあっても化学的な性質が大きく異なるため、複合アニオン化合物は、単一アニオン化合物にはない特異な電子構造や結晶構造が得られ、アニオンの組成・局所構造、アニオン秩序度などが精密制御されることにより、斬新な結晶構造および電子構造を創り出し、革新的な新機能を導きだします。

焼成することでGa₂O₃ナノ粒子を得たの

TAGEN FOREFRONT 38

FOREFRONT REVIEW

06

空気の清浄化＆赤外線カット
スマートウィンドウへの展開へ
汚染大気を継続的に浄化できることが注目されている光触媒ですが、さらに無機ナノ材料を制御することから
光や環境に応答する無機材料創製へ

殷研究室ではマルチな機能を持たせられないかと考えています。
「窓ガラスに特殊なコーティングをして空気を清浄化する機能を持たせる。
さらに同じコーティン
グ剤で紫外線や赤外線を防ぎ、可視光だけを透過させるなどの機能が複合されたらどうでしょうか？ マルチ機能を持つ

フルタイムでフル波長効果ある光触媒システムをいます。例えば、紫外線であれば、DNA

窓、
スマートウィンドウとなるわけです」。

を損傷したり、皮膚にダメージを与えるこ

赤外線の遮蔽・制御機能。優れた光「我々の研究室では『環境に調和するとを防ぐ日焼け止め化粧品、紫外線・可触媒活性を持つ光触媒を、精密な形態

材料をつくる』というテーマをさらに発展

視光であれば太陽電池、そして光を吸と粒子サイズが制御されたタングステン

させ、現在、環境、エネルギーの高効率収することにより特定の反応を促進させる

ブロンズベース赤外線遮蔽機能粉体材利用に貢献できる高度光機能性材料の「光触媒」に注目しています。

料Cs 0.33 WO 3と複合することにより、マル

創製、
フォトンエンジニアリング（Photon「これまでの『光触媒』は全体の約5%チ機能を持った光触媒を実現できること

Engineering）
を中心とした機能性材料の紫外線や可視光の一部しか利用できが分かってきました。
この技術により、機創出に取り組んでいます」とさらなる研究ないため、弱い光及び長波長光による触能材料の低コスト化やエネルギーの高効の展開を話す殷教授。

媒活性が非常に限定的でした。95％を率利用に貢献し、窓材及び建材等を始

紫外線・可視光・赤外線といった光の占める可視光や赤外線に対応する新物

め、幅広い環境分野に応用するという可波長別に応答機能の高度化を目指して

質、または新機能物質を合成し、フルタイ

能性が広がります。

ムでフル波長を利用すれば、浄化

さらに、赤外線遮蔽機能材料につい機能が飛躍的に向上することが期て、サーモクロミック機能を持つアニオン

待できます」。

ドープ二酸化バナジウムを利用すること

環境にやさしい制御されたコア・により、夏に涼しい、冬に暖かいという優

シェル構造ナノコンポジット創成プロ

れた機能材料であると同時に、光触媒セスにより、様々な可視光触媒及び機能による環境浄化・セルフクリリング機

蛍光材料との組合せが可能となり、能などのマルチ機能性が期待できます。

マルチ機能を持った光触媒を創製「二酸化バナジウムは70℃付近で絶縁することができます。
フルスペクトル体 – 金属相転移を起こし、高温相が熱線

光触媒は太陽光や蛍光灯の紫外光をエネルギー源として、空気光に対応できる高感度光触媒、そし遮蔽能を持ちます。高温時には太陽光のを浄化するなどの機能が永久に持続するので、究極の省エネとて夜でも働く蓄光型光触媒システ

室内への侵入を防ぎ、寒冷時には太陽光ムの実現を目指しています。

を室内に取込むという発想。
ソルボサー

いえます。この光触媒の機能をさらに向上させることが殷研究室が研究を進めているものの一つです。

リフレッシュはドライブで素敵な風景を。ペットの散歩も癒されてますね
ドライブが好きで、若い頃は１日700～800㎞走っていました。地域ごとの素晴らしい風土や風景に出会えるのがいいですね。東北でもいろいろ回りました。秋田の祭り、青森の祭り…。津軽海峡まで仲間と３日間かけて走ったのも、
いい思い出です。最近はなかなか遠出しなくなりましたが、この前のゴールデンウィークに栃木県足利市にある「あしかがフラワーパーク」に行ってきました。
藤の花がきれいでしたね。
きれいな風景を見ると心も体も癒やされ、
リフレッシュできます。
癒やされるというと、身近なところでは犬の散歩。最初は娘が面倒をみるという約束で飼い始めたのに、今は私の仕事になっていますね。時間があるときは、20～30分程度近場を散歩しています。
きれいな空気を吸いながら仙台の風景を見ながら歩く。
リフレッシュできる時間ですね。

39 TAGEN FOREFRONTOFF TIMETERM INFORMATION
スマートウィンドウ
スマートウィンドウは、電気・光・熱・ガスなどの外部の刺激に応じてその光学的特性が変化する窓材料のことです。調光ガラスということが多く、近年、
省エネルギー等の機能材料として期待されている材料で、特に赤外線（熱線）を遮蔽する効果が期待されます。赤外線遮蔽材料を窓ガラスに塗布す
ると室内温度上昇を大幅に抑制でき、エアコンの消費電力を削減できます。可視光領域に高い透過率と、800～1200nm範囲の近赤外線領域に対する高い吸収能力が求められます。赤外線吸収材料として知られるITO（スズ酸化インジウム）、
ATO（アンチモン酸化スズ）、LaB₆（六ホウ化ラン
タン）等があります。

サーモクロミック
優れた光触媒活性を持つ光触媒と、精密な形態と粒子サイズが制御されたタングステンブロンズ
ベース赤外線遮蔽機能粉体材料 Cs 0.33 WO 3との複合化。赤外線遮蔽、光触媒機能を併せ持つ

温度変化により、物質の色が可逆的に変化する現象をサーモクロミズムといい、その性質を示す材

マルチ機能性スマートウィンドウを実現できると殷研究室では考えています。

料がサーモクロミック材料です。温度変化により材マル反応による二酸化バナジウムのナノ殷教授。様々な観点から、環境にやさしので、窓材料として利用する場合、夏に涼しい、冬粒子の合成と「イオンドープによる」絶縁

いプロセスで、環境に調和する材料をつに暖かいという優れた機能材料です。

体 – 金属相転移温度の制御について検くることを実現しています。
「さらに、
より

紫外線（UVA、UVB、UVC）

討しています」。

世の中の役に立つ材料創製を目指した

紫外線は、波長の長さによってUVA、UVB、UVC

いと考えています。様々な材料を環境にの3つに分類されます。UVCはオゾン層に吸収さ二次元機能性層状化合物を利用した機能性発現「わが研究室でさらに注目しているの

やさしいプロセスで合成し、そこからこそ料は導電体と半導体の相転移が生じ、電磁波の一種である赤外線を遮蔽・通過することができます

れるため、地表には届きません。地表に降り注ぐ
紫外線の約９割がUVAです。波長が長く、透過現れる機能性の実現に力を入れたいと性が高く、窓ガラスも透過し、「 生活紫外線」
とも思っています」。

やたるみを引き起こします。短い波長のUVBは、が、二次元機能性層状化合物の環境応

環境にやさしい元素の利用、汎用的な答機能。例えば、複合型光触媒、ガスセ

元素の利用など、本当の意味の「機能性ンサー材料、室温応答センシング材料な

エコマテリアル」創製を目指したいと意気

どです」とさらなる展開を話す殷教授。

込みを見せている殷教授。環境調和・エ呼ばれます。UVAを浴びると、肌は黒くなり、シワ
日焼けの主な原因となり、「レジャー紫外線」
とも呼ばれます。浴びすぎてしまうと、皮膚が赤く炎症したり、シミや色素沈着を引き起こします。

グラフェン

近年、ナノテクノロジーやナノエレクト

ネルギーの高効率利用、マルチ機能性（2010年ノーベル物理賞受賞対象、イギリス
マンチェスター大学）

ロニクス技 術の進 展に伴い、世 界 的に

エコマテリアルの創出と応用に関する研

グラフェン等の2次元シート状化合物は、高い配注目されているグラフェンを始め、グラフィ究を展開しています。

向性・高いキャリア移動度・三次元バルク積層構

ティック・カーボンナイトライド－Graphitic

的性質を示し、様々な機能材料やデバイスへのCarbon Nitride （g-C₃N₄）、遷移金

応用が行われており、大変注目されています。
グラフェン（graphene）
は、1原子の厚さのsp2結合炭属ジカルコゲナイド（transition metal

素原子のシート状物質であり、炭素原子からなる

dichalcogenides, TMD）、層状金属

蜂の巣のような六角形格子構造をとっています。
グ
ラフェンは炭素同素体（グラファイト、
カーボンナノ

炭化物MXene（メクセン）等、二次元機

チューブ、
フラーレンなど）の基本的な構造です。

能性層状化合物。特異な物性が明らか

グラフィティック・カーボンナイトライド― Graphitic Carbon Nitride（g-C₃N₄）になりつつあり、新 規 機 能 性 材 料、イノ
ベーション・革新デバイス用新規材料として、注目を浴びています。
「カーボンをグラフィティック・カーボンナイトライド－Graphitic

ドープした酸化チタン（C-TiO₂）は優れ

Carbon Nitride（g-C₃N₄）は、水素、炭素、窒素のユビキタス元素からなるメタルフリー光触媒であた可視光吸収を持ち、NO X 分解に高い

り、水の分解、有機物除去、センサーなどの特性を活性を示します。g-C₃N₄やグラフェンな
どの高 表 面 積を持つ二次 元 層 状 物 質と光触媒を複合化することで光触媒活性のさらなる向上を実現できます」と語る造を有し、驚異的な電子物性・機械的物性・化学持つことから、近年非常に注目を浴びている材料です。g-C₃N₄はグラフィティック層状化合物としさらに、環境にやさしいプロセスの開発と、そこから生て注目され、固体潤滑材としても利用されます。

まれてくる新しい機能。殷研究室は、本当の意味の「機能性エコマテリアル」創製を目指しています。

TAGEN FOREFRONT 40

FOREFRONT REVIEW

コーヒーや牛乳、ビールの泡など生活の中で見られるコロイドと、 形状と形態が極めて精密に制御された単分散ナノ粒子の合成は、 その根本になる理論は同じです。
これらは、核生成と粒子成長の分離、粒子同士の凝集の防止、粒子合成反応場制御、という３つの基礎理念を応用することで生み出されています。こうした基礎理論をもとに、 村松研究室では、 ゼオライト系触媒、 透明導電膜、 光触媒、 ペロブスカイト
系酸化物、半導体ナノ粒子など、新しい機能性ナノ材料の創製に取り組んでいます。

41 TAGEN FOREFRONTFOREFRONT REVIEW

07

身近な生活の中の探求から最先端ナノ材料のサイエンスへ
学部生への講義や学外の講演などにおいて、村松淳司教授は「生活の中のコロイド」のことから話し始めるといいます。
コーヒー、お茶、牛乳、
ビール、
ウイスキー、それから温泉のお湯なども、みんなコロイドと言われるものです。簡単に言うと、溶液の中に微粒子が入っている状態ですが、霧や煙のように溶液ではなく気体の場合もあります。
「コロイドがコロイドたる由縁は、安 定に分 散するという言い方をするのですが、くっつかないで漂っているということ」だそうです。
「くっつかないようになっている、
いちばん大きな理由は、コロイド粒子の表面に表面チャージがあって、お互いに反発し合って、それで漂っているんです」。
たとえばコーヒーの場合、コーヒーの微粒子がお湯の中で互いに反発し合って均一に分散しているので、コーヒーは一様に黒褐色に見えています。コロイド粒子が電荷を帯びていると、互いの粒子は反多元物質科学研究所 所長
金属資源プロセス研究センター
ハイブリッドナノ粒子プロセス研究分野

村松
淳司

教授

MURAMATSU, Atsushi

1959年愛知県生まれ｡1979年東京大学理科
1類入学、1983年同工学部合成化学科卒業、1985年東京大学大学院工学系研究科（化学エネ
ルギー工学専攻）修士課程修了、
1988年同博士課程修了（工学博士）。
1988年東北大学選鉱製錬研究所助手、1993年東北大学素材工学研究
所講師、1995年東北大学素材工学研究所助教
授、2001年東北大学多元物質科学研究所教授、2015年東北大学多元物質科学研究所所長（併任）。
2016年物質・デバイス領域共同研究拠点 拠

発しあいます。
「ビールの泡の場合は、泡の周りにビールのホップの原料が吸着しているんです。
だからその泡が非常に丈夫でくっつかないコロイド状態になっています」。
コロイド理論に基づいて「コーヒーの分散の仕方やビールの泡の立ち方でより良く分散させる方法を使えば、実際に美味しくなる」といいます。
「このコロイドのサイズが小さくなるとナノ粒子です。最先端ナノ材料の開発も、
その基礎のところはこうした自然の現象から学んで行っています。
くっつかないように漂っているような条件でナノ粒子をつくらないと、結局ナノ粒子にはなりません。そういう条件にするのがまず最初に重要」といいます。
「画用紙のように丸められる液晶テレビとか、太陽光をエネルギーに変えて自動運転で走る自動車、
そんな夢のような技術も、みんなナ
ノ材料が基本になっています」。村松教授はナノ材料探求の、その先の未来を見つめています。

点本部長
（併任）
。
2019年東北大学副理事。
所属
団体／石油学会副会長、
日本化学連合理事、
ナノ学会理事、
みやぎ・環境とくらし・ネットワーク理事。
h t t p:/ / w w w 2.t a g e n.t o h o k u.a c. jp /la b /muramatsu/html/

TAGEN FOREFRONT 42

FOREFRONT REVIEW

07

もそも分子間力（ファンデルワールス力）
によって本来は凝集するものです。
これを凝集しないように、粒子を分散させ、コロイドが漂っている状態にすることが第１の
条件です。
「分散は、
ビールの泡のようにほかの成コロイドや界面化学を基盤に
ナノ粒子合成へ分が周りを取り巻いていてくっつかない状態。牛乳のように粒子の表面が界面活性剤状のもので覆われている場合。それから粒子表面の電荷による反発でくっつかない状態、などがあります。それからナノ粒子合成のために
基礎理論を学ぶ

速度論的に言うと、粒子が不規則に動き
３つの指針ととらえてもいい、と話します。

回っている状態ということもできます」。

1つめは、前ページで紹介した「安定分散から核生成へ
そして粒子成長は分離して身の回りのコロイドや界面化学に理解して分散していること」。
これはコロイドのを深めることが、結局はナノ粒子合成とい状態から見て「分散と凝集」というテーマう最先端の研究の基盤になる、と村松教

で、専門的にはDLVO理論といいます。

２つめが「核生成」。
「これもビールの授は講義の中で力説します。微粒子の「安定して分散」とは、言い換えると「溶泡の実験で理解できます。
ビールの泡は合成に関わる基礎的な理論については、媒中にコロイドが凝集せずに漂っている」

時間が経つとなくなってきますが、炭酸ガ

重要な３つの条件がある、粒子合成へのということです。
しかし物質というのは、
そス自体はコップの中で過飽和状態になっています。
そこに割りばしを入れてやると、また泡が復活するんです。
これが核生成と言われるもの」。
この過飽和状態が何かが生まれる土台になり、何かの衝撃で泡ができたり、結晶ができたりすることになります。
「水を氷にする時も０度ですぐ

α-Fe2O3

α-Fe2O32μm
CdS

α-Fe2O3

2μm

2μm

CdS

0.5μm

α-Fe2O3

10μm

Cu2O

1μm

0.5μm

粒子径による粒子の分類

村松研究室で合成した粒子

村松研究室で扱うコロイド分散系の粒子は、おおよそ数nm〜数μm。ナノ粒子はおおよそ1nm〜

酸化鉄（Ⅲ）（Fe₂O₃）、硫化カドミウム（CdS）、酸化銅（Cu₂O）などゲル -ゾル

10nm程度のサイズです｡

法で合成した粒子のサンプル。サイズは、ほぼ10μm〜0.5μm。

仲間と楽しむ日本酒、 それがいちばん
コロイドの試料としてビールの泡の話をよくしますが、日本酒ももちろん重要な試料なので、いろいろ取りそろえてあります｡取材で「趣味は何ですか？」と聞かれたら「スポーツの後の飲酒」と答えることにしています｡実際には今はスポーツもできないので、仲間が集まって楽しむ、というのが主眼になります。
ビールよりも、大好きなのは日本酒ですね。
福島県の日本酒も好みですが、宮城県の日本酒はかなりグレードが高いと思います｡県内の蔵元から相談を受けて開発の一端に携わったことがあります。熟成の方法と期間、温度管理の仕方な
ど、化学の知識や論理が重要になってきますが、
それでも日本酒の世界には科学を超えた面白さを感じます｡ともあれ「みんなで楽しく飲む」
それがいちばんのおいしさです。

43 TAGEN FOREFRONTMY FAVORITE

核生成と粒子成長の分離／

溶質の溶解度LaMerモデル図

核生成始まる & 粒子成長

溶質の添加によって溶解度は

核生成終了
臨界過飽和度核生成

時間とともに上昇し、臨界過飽

DLVO理論

和度を越えると核の生成が開Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek

始されます。核の生 成が進 行

粒子成長のみ起こる

し、一定量の核が生成されると粒子成長

溶解度は急激に低下し、核成
長はストップします。核生成と粒飽和溶解度
粒子成長終了子成長を分離させるためには、
核生成期を粒子成長期より格段に短くするなど、核生成期間

時間

TERM INFORMATIONの制御が必要になります｡

theoryの頭文字をとってDLVO理論と呼ばれる。
元々別に出された論文によるもの（Derjaguin,B.; Landau, L.
（1941）“Theory,of the stabilityof strongly charged lyophobic sols and of
the adhesion of strongly charged particles
in solutions of electrolytes”, Acta Physico
Chemica URSS 14: 633. Verwey, E. J. W.;
Overbeek, J. Th. G.（1948）, Theory of thestability of lyophobic colloids, Amsterdam:

氷になるわけではなく、マイナス10度ぐら

理吸着と化学吸着」というテーマをおさいに冷やして（過冷却、
つまり過飽和）、ポ

えておきたい、といいます。

ンと衝撃を与えるとピシピシと氷ができま「物理吸着」というのは固体表面に、何す。あれも同じ理屈です」。材料合成のかの吸着質がファンデルワールス力でくっ際は、こうした「核生成」ができるように過ついたり、離れたりすることで、自然界にど飽和の状態を制御することが第２の要件

こにでもあることです。
「物理吸着のことをになる、というわけです。

私たちは“ハエ的吸着”と呼んでいます。
ブ

３つめの条件としては「核生成と粒子ンととまってまた出て行くので、下地表面成長を分離」
してやることです。
「できたに何も影響を与えず単にとまるだけ」。

Elsevier.）
で、液中のコロイドの安定性（凝集するか分散するか）を、分子間力（ロンドンファンデル
ワールス引力）と表面チャージによる静電的反発力の和だけで考慮できるとし、溶液中の塩濃度で表現できるため、食品工学などで応用されている。

ファンデルワールス力
この力はヨハネス・ファン・デル・ワールスが実在気体の状態方程式を定式化した際に導入された凝縮による力のことを指しており、彼の名を冠してファンデルワールス力と呼ばれている。分子間力とも呼ばれ、基本的に引力が働くが、異なる組成の粒子間で斥力が働く場合もある。

核について、
もっと粒子を大きくしたいといでは、もうひとつの「化学吸着」とは、
どう時に重要なのは、成長させる段階で粒んなことでしょう。
「こちらは“蚊的吸着”と子同士が凝集しないこと。そして粒子成言っています。蚊がとまって血を吸ったり、長の間に新たな核が生まれないこと。
こ

少なくとも何かゴショゴショやっていく。叩れをコントロールしてやる必要がある」とかれて死んだりもしますが、それも含めてした、単分散粒子合成法の一つ。金属水酸化物

いいます。
この３つめの過程は、自然の中下地との相互作用になります」。蚊がとま合成するところから、ゲルーゾル法と名付けた。濃でヒントになるようなものはないので残念るだけなら最初は物理吸着、いったん血ながらビールの泡のようには見せられなを吸い出すと下地との関連性が生まれるいのですが、粒子をつくるには人工的にので化学吸着になります。

核生成と粒子成長を分離させる必要がある、と村松教授は説明します。

ゲル –ゾル法
東北大学名誉教授・杉本忠夫教授とともに開発
ゲルを出発物質として最終的に微粒子（ゾル）を厚で高粘性ゲルが微粒子を捕捉し、微粒子間の凝集を防止して、サイズが均一に揃った単分散粒子が合成される。
ゾルーゲル法とは根本的に概念が異なる。

いわゆる触媒反応とは、
この化学吸着がきっかけにはなりますが、蚊が血を吸っ速度論

ただけでは触媒反応にはならず、物理吸平衡論とともに熱力学の重要な理論。平衡論が着が起こり、化学吸着が起こって、その後基本的に唯一無二の式を与えるのに対して、速さらに血を吸った蚊と別の蚊がインタラク

するときには必ず何らかの速度式があり、その背粒子合成の基礎についてコロイドの現ションを起こして何か新しいものが生まれ景には速度論という理論がある。

象から３つの条件を確認しましたが、もうるようなパターンを「触媒」
と言う、
と村松

ひとつ「表面」についての理論として「物教授は触媒の初歩について解説します。

物理吸着は“ハエ的吸着”
化学吸着は“蚊的吸着”度論は条件に応じて速度式を与える。
ものが生成

過飽和
きれいな水を冷やしていくと氷が生成するが、このときゆっくりと冷やしていくと、0度になっても凍らず、温度はもっと下がっていく。下がった状態で、揺すったりして外部から刺激を与えると一気に凍り出す。
これが過冷却現象であるが、固体粒子が溶液から析出するときも同じ現象があり、溶解度を大きく超えたところで析出が始まるが、その溶解度を過飽和度と呼び、過飽和状態にあるという。

触媒
村松教授は、ナノ粒子の基礎について、
コーヒー、ビール、温泉といった身の回りにあるもので説明し、研究の面白さを

化学反応のときに、反応速度を変える物質を触媒

学生やスタッフ、全国の大学や講演会の聴講者にも伝えます。講義や講演などで使われる多くの資料の基本になってと呼んでいる。触媒自身は反応の前後で何ら変化いるのが、コロイド理論。
コロイド状態から「分散と凝集」についての科学的根拠を学びます。目に見えない世界の不していない。自動車触媒や光触媒が有名で有り、思議が身近になる時、先端的な研究の扉から新しい光が見えてきます。

自然界では酵素が触媒と同様な働きをしている。

TAGEN FOREFRONT 44

FOREFRONT REVIEW

07

いま求められていて、いちばんできそうなのがゼオライト系」と村松教授は話します。
ただし単純なゼオライトではなく、ケイ素とアルミニウムの複合酸化物のアルミニウ
ムを各種の金属元素と置き換えるメタル

大きな社会変革にも波及する
先端的な材料合成

ドープという手法で「キャラクターを一変させてC-C bondをつくる触媒に変化させていく」。
その時には、計算化学を使ってシ
ミュレーションを行っているといいます。

酸化インジウムスズで透明導電膜を作製
先端材料創製で注目される
ゼオライト触媒究のほか、科学技術振興機構（JST）の

さて、村松研究室のもうひとつ大きな研

CREST（科学技術イノベーションチーム

究の柱が透明導電膜と言われるもので村松研究室の研究テーマの基盤は、型研究）において「複合酸化物触媒材料

す。一般に電子機器の回路や電極には

前ページで紹介したように各種ナノ粒子の創製」プロジェクトのリーダーを務めて金属が用いられますが、液晶（LCD）
や有の合成法の開発研究ということです。
そしいます。
「簡単に言うと、
メタン（天然ガス

機ELなど電子ディスプレイとして使うにはて高機能なナノ粒子の合成は、最先端のの成分）から触媒を使って化学合成品を適さず、透明な電極や回路が必要です。

触媒や透明導電膜、電極材料などとしてつくるという計画です。
もっと直接的に言う

画面上の電極や回路が画像のじゃまにの応用展開が期待される、重要な研究分と、天然ガスから燃料や化学製品ができなったり、着色しては困るからです。
これを野となっています。

るような夢の触媒をつくろうという計画で、解決するために、透明でかつ電気を通す

現在、村松研究室の大きな研究の柱

それが実現すれば石油の中東依存をしな材料が開発されてきました。現在、最も広のひとつになっているのがゼオライト触媒

くて済み、
たとえ石油が枯渇しても国産のく用いられている透明電極、
つまり透明導です。
ゼオライトはすでに200種以上の構原料で化学製品がつくれる、ということに

電膜材料は、酸化インジウムスズ（ITO）造が合成され、さまざまな用途の触媒としなります」。

です。

て応用されている注目度の高い材料でメタンCH₄はCが１つなのでC１化学と「骨格は酸化インジウムです。
その酸化

すが、村松教授は多元研研究室での研呼ばれ、重要な有機合成化学の一分野

インジウムの中に酸化スズを少しだけ混ぜとなっていて、各種合成には触てITOをつくります。
この混合物は粉末で低級オレフィンへの直接転換を可能媒が重要な役割を果たしていまは灰色っぽいんですが、可視光領域の透にする複合酸化物触媒材料の創製す。
「たとえばCH₄から直接C-C

過率が高く薄膜ではほぼ透明になります。

bondはつくれなかったんです

もうひとつ大事なことは、インジウムは酸化が、特殊な触媒によっていきなり

数+3、スズは+4なので、インジウムの代わり

C-C bondができるようになる。
そにスズを入れてやると電子が足りなくなる

村松教授がリーダーを務めるグルー

こさえできれば、
あとはC-C bondので、
電荷中和のためにキャリア電子が発

プは、北九州市立大学、東北大学、東京大学、東京工業大学から6人を増やしていくのはそんなにハー

生することになります。
ということは電子はドルが高くない。そういう触媒がn型半導体になって自由に動けるようになり

CRESTプロジェクトでは、メタンからを目指し、村松グループはメタン反応
システムのための触媒物質合成を目的として、高活性なCe-Fe-ZSMなどのゼオライト系＋金属超微粒子
触媒の研究を行っています。

の研究者が参加し、2016年から10年計画で取り組んでいます。
画像はナノ微粒子が付着したゼオライト

OFF TIME

スポーツの楽しさ深める、スポーツボランティア
1980年代から仙台、宮城のスポーツボランティア活動を続けています。地元利府町では利府町サッカー協会の会長を務めています。活動を通して、県内プロスポーツの誕生から発展への道のりにも関わらせていただきました。
現在は、ボランティアそのものより、
ボランティアさんをどう動かしていくか、
どこにどのくらい配置すればいいのかなど、
私とあと数人で全体のコーディネートをするという役割です。ベガルタ仙台や東北楽天ゴールデンイーグルスでのボ
ランティアをはじめとして、2019年5月の仙台国際ハーフマラソン、6月利府町の宮城スタジアムでのサッカー日本
代表戦、それからツール・ド・東北、東北・みやぎ復興マラソン（2019年は中止）などに携わっています。
いま動いているのはTOKYO2020です。
とくに都市ボランティアの方は県といっしょにいろいろやっていて、
ボラ
ンティア研修も始まっています。

45 TAGEN FOREFRONT「仙台のスポーツとボランティア」という題での講演の様子（2019.10仙台市太白区文化センター）

ているスパッタ法に代わるインクジェット法に使えるITOナノ
粒 子 合 成 法を開 発しています。
これはITOナノ粒子をインクにしてやわらかいポリエチレ
ンなどプラスチックに塗布できるようにする技術です。
この技術によれば、
テレビはクルクルッと巻かれているものとなり、またTERM INFORMATION
ゼオライト
水の石が起源で、小さな孔（ナノ孔）
や比較的大
きな孔
（メソ孔）
などが発達している多孔性の結晶性酸化物で、酸化ケイ素と酸化アルミニウムなどが組み合わさった複合酸化物が多い。触媒として使用されるものは、多く人工的に合成されるが、自然界には多くの天然ゼオライトがある。身近では歯磨き粉や洗剤などにも多く使われている。

太陽電池として電動自動車のメタン

単結晶ITOナノ粒子の透過型電子顕微鏡の画像｡

窓ガラスに貼っていつまでも走天然ガスの主成分で、化学式はCH₄と表す。化石

メタルドープで種々の複合酸化物をつくる際には、金属材料研究所の新ることができるなど、「夢の世

スーパーコンピューティングシステムMASAMUNE-IMRも活用し、計算化学を使ってシミュレーションします｡

界」に近づくことになります。
「ITOナノ粒子は、材料のます。つまりITOは、透明でありかつ導電

最適の配合や作製温度の低減など材料性を持つようになるんです」と村松教授は開発サイドでできることは、現在までさまざITO合成の面白い特徴を解説します。

まな検討を加えてきました。
あとはこちらの資源の中では最も安定な化合物だが、日本近海に多く存在するメタンハイドレートなど、その資源量は非常に豊富であり、石油、石炭の代替物質として注目を浴びているが、その安定性のために化学原料としてはこれまであまり使われてこなかった。

C-C bond
炭素2つが結合すること、
あるいは、
その結合のこと

このITOを材料としてつくられるのが透手を離れて実用化できるぐらいの価格にを指す。
メタンからエタン、エチレンが合成されるた明導電膜です。
「つくり方は、ITOターゲッ

できるかどうか、などの検討段階になりまめには、
この炭素結合ができることが必須である。

ト材からスパッタリング法で粒子をガラスす」と、村松教授はナノ粒子合成の未来

基板に飛び散らせ薄い膜を蓄積させる、への扉を力強く開きつつあります。

メタルドープという手法です」。
なぜガラス基板なのか

結晶性酸化インジウムの構造のインジウムの代わというと、この成膜法では加熱されるからりにスズが入ると、インジウムの3価の一部がスズの4価になることから、電荷中和のためにキャリアです。
「約500度程度の熱がかかります。

電子が発生する状態となり、この電子は自由電子となり、電導性を示す。透明な酸化物ITOが電導だから基盤は熱で溶けないガラスが使わ性を持つのはこの理由である。

れます。液晶ディスプレイや液晶テレビはみんなガラスなんです」と話します。

n型半導体
n 型半導体とは、電荷を運ぶキャリアとして自由夢の世界に近づく
ITOナノ粒子電子が使われる半導体。ITOなどがその例。正孔（ホール）
がキャリアになるのが、p型半導体。

「いま説明した話は、高温の熱をかけてつくっているうちは、
基盤はガラス以外は使えない。熱をかけて溶けるようなやわらかいものは使えない、ということです」と村松教授は続けます。
その先にどんなことを考えているのかというと、
たとえば「可搬型の液晶テレビ」です。薄型になったとは言えサイズが大きければガラス製なので重い。
持ち運ぼうなどとは思わないという現実に対して、村松教授は「4つくらいに畳めるとしたら、だいぶ近いのではないか。最終的には画用紙のようにクルクルッと巻いて運んで、開いて貼りつけたらテレビになる」という世界を思い描いているといいます。
これが「ITOナノ粒子」という技術です。

村松研究室では、単分散粒子を得る手法の開発か
ら各種の無機材料合成まで、さまざまな装置を使って実施しています。

すでに2007年に村松教授をリーダーとす

大型リアクターでは、透明導電性ナノ粒子の大量合る研究グループは、
ITO作製の主流となっ

端的な材料としての応用が期待されています。

成も可能にしています｡これら合成物の幾つかは先TAGEN FOREFRONT 46

多元物質科学研究所が推進する研究研究室（教授）／研究分野

主な研究テーマ

有機・生命科学研究部門
ナガツギ

フミ

永次 史

生命機能分子合成化学研究分野
ワ

ダ

タケヒコ

●細胞内での遺伝子発現制御を目指した架橋反応性核酸の開発●核酸高次構造に結合する人工分子の開発● RNA を標的とした新規化学ツールの開発●核酸を標的とした分子認識機構に基づく新規高機能人工分子の開発

和田 健彦●外部刺激応答型人工核酸の開発●がん細胞特異的核酸医薬分子の開発●細胞内環境応答性生命機能制御材料の創製●生体高分子を不斉反応場とする超分子不斉光反応●高感度高時間分解円二色スペクトル測定装置の開発

ク ミ ガシラ●酸化物ナノ構造の機能設計・制御●酸化物超構造における機能物性の開拓と新規デバイスの開発●表面・界面における電子・スピン・軌道の可視化●放射光電子分光装置の開発

生命機能制御物質化学研究分野

ヒロシ

組 頭 広志

ナノ機能物性化学研究分野
イナ

バ

ケン

ジ

稲葉 謙次

生体分子構造研究分野
ミズカミ

シン

水上 進

細胞機能分子化学研究分野

タカハシ

サトシ

髙橋 聡

生命分子ダイナミクス研究分野●タンパク質品質管理に関わるジスルフィド結合形成・開裂ネットワークの構造、作用機序、生理的機能●細胞内金属イオン濃度恒常性維持に関わる膜トランスポーターの構造、作用機序、生理的機能●生物活性を可視化する蛍光センサーの開発●疾患機構や生命現象を調べる為の蛋白質—小分子ハイブリッド材料の開発●光を用いて生体分子活性を操作する技術の開発●高輝度レーザー顕微鏡技術に有用な光耐性蛍光色素の開発●酵素機能の解明と新規機能性蛋白質の創出●一分子蛍光分光法を用いたタンパク質のフォールディングダイナミクス●癌抑制タンパク質 p53 の DNA 探索機構の解明●一分子ソーターを用いた新しいタンパク質デザイン手法の開発

無機材料研究部門
オオタニ

ヒロ

シ

大谷 博司

●準安定状態を利用した材料設計基盤の確立●合金系融体の熱力学物性に関する研究●モンテカルロシミュレーションによる相変態の理論的研究● CALPHAD 法を用いた状態図の熱力学解析

タカハシ● X 線光学技術を駆使した次世代のコヒーレント回折イメージング法の開拓●タイコグラフィ－ X 線吸収微細構造法の開発と機能性材料の構造－機能相関解析への展開●マルチスライス X 線タイコグラフィによる電子デバイスの三次元ナノ構造可視化●情報科学的手法を活用した新規位相回復アルゴリズムの開発● X 線自由電子レーザーを駆使したシングルショット X 線 イメージング法の開発と応用

計算材料熱力学研究分野
ユキ

オ

髙橋 幸生

放射光可視化情報計測研究分野

サ

トウ

タク

佐藤 卓

スピン量子物性研究分野

キタカミ

オサム

北上 修

ナノスケール磁気デバイス研究分野
カニ

エ

キヨ

シ

●結晶中の不均一構造に関する熱力学的検討●遺伝的アルゴリズムを用いた理論状態図の構築に関する研究●実験手法を用いた合金状態図に関する研究●中性子非弾性散乱分光器の開発●中性子磁気非弾性散乱スペクトル解析法の開発●量子スピン系における巨視的量子現象の研究●遍歴電子系における反強磁性と超伝導の研究●非周期スピン系における磁気秩序とダイナミクスの研究● ナノサイズ粒子の結晶相安定性●プローブ顕微鏡によるナノ加工技術●巨大磁気異方性材料の設計・開発●超高感度磁化検出技術開発●単一磁性ナノ粒子の物性・スピンダイナミクス●新規超高密度メモリー技術の提案・開発

蟹江 澄志●有機無機 ハイブリッドナノ粒子のデザイン・合成●サイズ・形態制御無機ナノ粒子の精密液相合成法開拓●ナノ粒子精密合成に基づくプリンテッドエレクトロニクス向けナノインクの開発●刺激応答性人工リン脂質の設計・合成とマクロ自己組織構造制御●機能性イオン液体の分子設計によるあらたな抽出プロセス開発

アブカワ●新しい表面構造解析法の開発●表面構造ダイナミクスの研究●２次元原子層物質の成長と物性研究●マイクロ／ナノ構造の表面

ハイブリッドナノシステム研究分野

タダ

シ

虻川 匡司

固体表面物性研究分野

プロセスシステム工学研究部門
ア

ジリ

タダフミ

阿尻 雅文

超臨界ナノ工学研究分野
サトウ

シュン イ チ

●超臨界場でのハイブリッドナノ粒子創成●ナノフル イドの熱力学（超分子構造形成・相挙動・粘弾性）●超ハイブリッド材料創製（ポリマー／ハ イブリッドナノ粒子）●低温エネルギー改質触媒

佐藤 俊 一●高強度光の場における物質変換プロセス●高強度光の場におけるナノ粒子作製●ベクトルビームの発生とビーム特性の解析●微小レーザースポットの形成と新規レーザー加工法の開発●ベクトルビームを用いたナノイメージング

アメザワ●燃料電池／蓄電池の高性能化・高信頼性化●電気化学エネルギー変換デバイス評価のための高度オペランド分析技術の開発●ヘテロ界面における電気化学現象に関する基礎研究●新規固体イオニクス材料の設計と創製

光物質科学研究分野

コウ

ジ

雨澤 浩史

固体イオニクス・デバイス研究分野
ノ

ガミ

ヒロシ

埜上 洋

環境適合素材プロセス研究分野

シバ

タ

ヒロユキ

柴田 浩幸

材料分離プロセス研究分野

47 TAGEN FOREFRONT●素材製造プロセスの多相反応シミュレータ開発●新規エネルギー変換・貯蔵・回収プロセスの開発●反応・伝熱高効率化のための境膜制御技術開発●鉄鉱石の還元溶融現象の解明●固体表面の液体流動の解析●ケイ酸塩融体およびガラスの物理化学的性質と構造●次世代材料シリコンカーバイドの溶液成長●金属および酸化物過冷却液体の凝固メカニズム

研究室（教授）／研究分野

主な研究テーマ

計測研究部門
ウエ

ダ

キヨシ

上田 潔

電子分子動力学研究分野

タカハシ

マサヒコ

●反応における量子干渉と量子もつれ●光励起状態の電子ダイナミクス・分子ダイナミクス・分子イメージング●分子動画と電子波束観測による反応追跡と反応制御●短パルス光学レーザー・シンクロトロン放射光・Ｘ線自由電子レーザーを光源とした分子イメージング・分子動画・電子波束観測を目指した光電子分光法・多粒子計測法の開発

髙橋 正彦●配向分子の電子運動量分光の開発による分子軌道イメージングと電子状態研究への応用●多次元同時計測法の開発による電子・分子衝突の立体ダイナミクス●時間分解電子運動量分光の開発による物質内電子移動の可視化

モモ●Ｘ線干渉光学に基づくＸ線位相計測法の開拓●Ｘ線位相イメージング法の開拓とその応用●動的Ｘ線画像計測による機能イメージング法の開発●Ｘ線位相差顕微鏡／トモグラフィの開発●デコヒーレンス型極小角Ｘ線散乱イメージング法の開拓とその応用

量子電子科学研究分野
セ

アツシ

百生 敦

量子ビーム計測研究分野

キ

ムラ

ヒロユキ

木村 宏之

構造材料物性研究分野

ヒ

バラ

アキヒデ

火原 彰秀

ナノ・マイクロ計測化学研究分野

ジンナイ

ヒロ

シ

●中性子 4 軸回折装置とその応用法の開発（JAEA 東海 3 号炉 JRR-3M:T2-2 FONDER）●位置敏感検出器を用いた高効率中性子結晶構造解析装置の開発（J-PARC BL18:SENJU，韓国研究用原子炉 HANARO 2D-PSD）●多重極限下（高圧、極低温、高磁場、高電場）における X 線・中性子散乱手法の開発●強誘電体，磁性体，マルチフェロイック物質および有機伝導体の構造と物性研究●水素結合系誘電体物質の電子密度分布と核密度分布●ナノ・マイクロ流体デバイスを用いる簡易・自動化学分析●界面化学に基づく液膜型分離・濃縮法●顕微イメージング法およびマイクロ空間検出法●高出力パルス ESR による生体分子の構造と機能の相関

陣内 浩司●“多次元”電子顕微鏡法の開発● 3 次元構造解析法の開発（界面形態の幾何学に基づく解析）●ブロック共重合体の自己組織化ナノ構造の 3 次元観察とその分子論的解析●有機・無機ハイブリッド材料の構造と物性の解明●エネルギー関連材料（燃料電池など）の 3 次元観察と物性解明

髙桑 雄二

タカクワ

●ナノ炭素材料の気相合成プロセスの開発●次世代 CMOS ゲートスタックの絶縁膜形成機構の解明と制御●機能性金属酸化膜の表面反応機能の解明と制御●電子回折による固体表面構造解析と応用●低速イオンを用いた表面の原子スケール平坦化手法の開発

チチ●環境に優しい（Al,In,Ga）N および（Mg,Zn）O 系ワイドバンドギャップ半導体微小共振器を用いた、励起子と光の相互作用に基づく新しいコヒー
レント光源の研究●フェムト秒レーザおよびフェムト秒電子線を用いた（Al,In,Ga）N および（Mg,Zn）O 系ワイドバンドギャップ半導体量子ナノ構造の時間空間分解
スペクトロスコピー●有機金属化学気相エピタキシーによる（Al,In,Ga）N 系量子ナノ構造形成と深紫外線発光デバイス形成●（Mg,Zn）O 系酸化物半導体のヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシーと機能性酸化物薄膜形成

高分子物理化学研究分野

ユウジ

表面物理プロセス研究分野

ブ

シゲフサ

秩父 重英

量子光エレクトロニクス研究分野

非鉄金属製錬環境科学研究部門
フクヤマ

ヒロユキ

福山 博之（兼）●製錬・精錬技術の体系的理解に基づくプロセスの高効率化●低品位鉱石対応製錬技術の開発●非鉄金属製錬における基礎的熱力学データの検証と拡充●金属の超高純度精製と超高純度材料の物性

放射光次世代計測科学連携研究部門
フクヤマ

ヒロユキ

タカ

タ

マサ

キ

ナカムラ

テツ

ヤ

福山 博之（兼）高田 昌樹（兼）中村 哲也●次世代放射光施設における先端ビームライン技術の研究開発●産学ミクストユースの普及と強化のための自動計測技術の研究開発●次世代放射光の活用分野の情報収集・展開と利活用の推進●第 2 期の新規ビームライン構想の構築●施設活用における国際的な評価制度の策定

金属資源プロセス研究センター
フクヤマ

ヒロユキ

福山 博之

●窒化物半導体の結晶成長と物理化学●超高温熱物性計測システムの開発●高温反応場における材料プロセス創製●超高温材料の熱物性計測●多機能性膜の高機能化と新規デバイスの開発

キタムラ●上昇気泡によるメタルエマルジョンの生成と固体酸化物の溶融スラグへの溶解速度に関する研究に基づく高効率精錬プロセスの設計●硫化によるマンガン回収と浸出による燐の分離を用いた製鋼スラグからの有価金属の分離・抽出●介在物組成変化のシミュレーションと加熱による酸化物の組成変化に関する研究に基づくクリーンスチール製造のための鋳片品質向上●地震と津波で被災した水田の製鋼スラグを利用した復興

高温材料物理化学研究分野

シン

ヤ

北村 信也

基盤素材プロセッシング研究分野
カ

ノウ

ジュン ヤ

加納 純 也●コンピュータシミュレーションによる粉体プロセスの高度化●機械的微粒子生成プロセスのシミュレーションの創成●粒子・流体プロセスシミュレーションの創成●メカノケミカル法による機能性粉体の創製と希少金属の回収●バイオマスおよび樹脂廃棄物からの高効率水素製造プロセスの創製

桐島 陽

キリシマ

●放射化学アプローチによる原発事故廃棄物のバックエンド工学研究●プロトアクチニウム溶液化学研究への再挑戦●深部地下ならびに表層環境中の放射性核種の移行挙動研究●素材や製品に含まれる天然放射性物質（NORM）問題の研究

ホン●高容量・高出力型リチウムイオン電池●全固体電池●マグネシウムイオン電池●超臨界流体プロセスを用いた機能性ナノ材料の創製●水熱電解プロセスを用いた単原子層電極材料の合成

機能性粉体プロセス研究分野

アキラ

エネルギー資源プロセス研究分野
マ

イタル

本間 格

エネルギーデバイス化学研究分野

TAGEN FOREFRONT 48

多元物質科学研究所が推進する研究研究室（教授）／研究分野

主な研究テーマ

金属資源プロセス研究センター（つづき）
シバ

タ

エツロウ

柴田 悦郎

●銅製錬における高濃度不純物対応技術に関する基礎的研究●スコロダイト合成によるヒ素の安定固定化技術の開発●ヒ素含有鉱物分離のための新規浮選剤のスクリーニング●海底鉱物資源の乾式製錬プロセスの開発●その他、金属リサイクルシステムの最適化に向けた各種要素技術開発に関する基礎的研究●その他、金属資源循環における環境負荷元素の処理等の各種環境技術開発に関する基礎的研究

ムラマツ●有機 — 無機ハイブリッドナノ粒子の合成●シングルナノサイズ金属粒子の合成と機能性材料への応用●部分硫化による可視光応答性光触媒材料の開発●液相還元法による新規触媒材料

金属資源循環システム研究分野
アツ

シ

村松 淳司

ハイブリッドナノ粒子プロセス研究分野
オ

マタ

タカヒサ

小俣 孝久

原子空間制御プロセス研究分野●機能性無機材料の物質設計と合成プロセスの開発●ナローギャップ酸化物半導体の開発と光電素子への応用●中温域で動作する燃料電池の要素材料の開発●半導体量子ドットの溶液合成プロセスの開発●高エネルギーイオンビーム照射を用いた無機・有機ハイブリッドナノ構造体誘起と機能制御

先端計測開発センター
タカ

タ

マサ

キ

高田 昌樹

●広視野・高分解能軟Ｘ線顕微鏡の開発と応用●極紫外リソグラフィー・マスクの実波長観察●生物試料の軟Ｘ線分光顕微観察●軟Ｘ線用高反射率多層膜ミラーの開発

寺内 正己

テラウチ

●機能性ナノ粒子の物性解析●角度分解 EELS による物性評価手法の開発●電子顕微鏡用 SXES 装置の開発と応用●収束電子回折法およびビームロッキング電子回折を用いた局所構造解析

寺内 正己（兼）テラウチ●高分解能電子顕微鏡法による表面・界面での原子配列の解析●電磁場制御と伝導性評価のための電顕内探針操作技術の開発●ローレンツ顕微鏡法と電子線ホログラフィーを用いた磁区構造・磁化分布の解析●エネルギーフィルター電子顕微鏡を用いたその場観察による相変態機構の解明●複数探針を活用した電子線ホログラフィーによる電池材料の電場解析

コメ●走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いた分子観察・計測●トンネル分光を用いた分子振動・スピン計測などのナノスケール化学分析●微細加工素子と分子素子の融合に向けた界面計測・制御●スピントロニクス・量子コンピューターの基礎となるスピンの制御●環境触媒の基礎解明に向けた表面・分子相互作用の研究

放射光ナノ構造可視化研究分野
マサ

ミ

電子回折・分光計測研究分野
マサ ミ

電子線干渉計測研究分野

ダ

タダヒロ

米田 忠弘

走査プローブ計測技術研究分野

高分子・ハイブリッド材料研究センター
ミ

ツ

イシ

マサ

ヤ

三ツ石 方也●高分子超薄膜をテンプレートとした金属／半導体ナノ粒子などのナノ物質の配列集積技術開発●有機・無機ハ イブリッドナノ材料による光電子機能デバイスの創製●ナノ接着・ナノ界面の自在構築●ナノコンタクト技術を利用したソフト系ナノデバイスの開発

及川 英俊

オイカワ

●有機・高分子ナノ結晶のサイズ・形態制御と光学特性評価●有機 – 無機ハイブリッドナノ結晶の新規作製法の開発と物性評価●ナノ結晶・粒子のカプセル化、集積化ナノ構造体制御と光機能物性●励起子 – 局在型表面プラズモン相互作用の解析●有機半導体薄膜のポラリトン特性／電子物性

キョウ タ ニ京谷 隆

●ナノカーボンをベースとした水素貯蔵●炭素材料エッジサイトの高度分析と構造制御●単層グラフェン多孔体の合成とエネルギー貯蔵および変換への応用●炭素被覆メソポーラス構造体を用いた燃料電池・バイオセンサーなどへの応用●水分散性カーボンナノ試験管を用いたバ イオ応用
●カーボン材料を利用した高性能蓄電池の開発

アクタ ガ ワ

芥 川 智行●超分子ローター構造を利用した強誘電体・焦電体・熱伝導体の開発●電荷移動型分子集合体デバイスの開発●新規な分子性導体・磁性体の開発●有機 – 無機ハイブリッド型ナノ構造を用いた分子デバイスの開発●巨大ポリオキサメタレート化合物の材料化

中川 勝

ナカガワ

●光 ナノインプリント技術のレジスト材料の開発と一桁ナノ造形●レーザー加工孔版印刷法の開発と光硬化性液体の位置選択的塗布●蛍光干渉縞による精密位置合わせと積層化●金属ナノ構造体の光学・電子デバイス応用

カサ●サイズ制御された有機ナノ粒子の作製●新たなデザインが施された抗癌性ナノ薬剤の創製とその薬理効果●ナノ点眼薬の創製とその薬理効果●バイオプロセスを巧みに活かした薬効化合物の合成

高分子ハイブリッドナノ材料研究分野
ヒデトシ

有機ハイブリッドナノ結晶材料研究分野

タカシ

ハイブリッド炭素ナノ材料研究分野
トモユキ

ハイブリッド材料創製研究分野

マサル

光機能材料化学研究分野
イ

ヒトシ

笠井 均

有機・バイオナノ材料研究分野
新機能無機物質探索研究センター
ヤマ

ネ

ヒサノリ

山根 久典

●新規多元系無機固体物質探索と構造解析および結晶化学的研究●活性金属を利用した非酸化物系セラミックスの新規合成プロセスの開拓●多元系窒化物および酸化物蛍光体の探索●多元系金属間化合物を対象とした熱電材料の開拓

ヤマ●準結晶合金の合成と準結晶分散 Mg 合金の作製●準結晶構造の数理的な解析●合金化による電子構造と触媒機能の制御●複合組織化による触媒機能の創出●金属間化合物を前駆体とした触媒作用の発現起源

無機固体材料合成研究分野
ネ

ヒサノリ

山根 久典（兼）金属機能設計研究分野

イン

シュウ

殷 澍

環境無機材料化学研究分野
カキハナ

マサ

ト

垣花 眞人

無機材料創製プロセス研究分野

49 TAGEN FOREFRONT●環境に優しいプロセスによる機能性無機材料の開発●無機紫外線／赤外線遮蔽及び透明導電性薄膜の開発●半導体ナノ材料のガスセンサー特性評価●複合アニオン型高感度可視光応答光触媒の合成とマルチ機能性の実現●自動車排ガス浄化触媒の開発●窒化物・酸窒化物のナノ構造制御と機能性開発●フォトセラミックス開拓を目指した新物質合成●エネルギー変換のための高効率な光触媒の構築●溶液法を利用した高機能フォトセラミックスの合成●機能性金属錯体のケミカルデザイン●金属錯体を利用したハイブリッド材料の創製および形態制御

TAGEN FOREFRONT 08

編集
後記
TAGEN FOREFRONT 第 8 号では、本誌を企画・創刊した村松淳司教授と、この数年間に着任した 6 名の教授にフォーカスしました。これまで毎号 7 名

広報情報室
長

加納 純也

副室長

小俣 孝久

室

芥川 智行
雨澤 浩史
蟹江 澄志

ずつ、定年退職した教授を含めて 56 名

篠田 弘造の教授を紹介してきました。

矢代

第 8 号でも、真剣な表情で研究をしている教授の「顔」を前面に出し、それぞれの研究についてわかりやすく紹介する一方

航

志村 玲子
安達 正芳

で、
「MY FAVORITE」「OFF TIME」と

丸岡 伸洋

いったコラムも掲載しています。コラム

菊地 隼哉

では、真剣な表情の研究者としての「顔」とはまた異なった、それぞれの教授の人
柄をご覧いただけます。
多元研は、2001 年の設立から今年で20年目となります。魅力ある行事や企画等、多元研の活動を紹介する機会も増えることでしょう。

小玉 航史
髙橋

慶

渡辺 直子
佐藤

佳

伊藤 智恵

本誌第1号を発刊した 2013 年からは、7年が過ぎました。改めて、是非 1〜7号もご覧ください。TAGEN FOREFRONTを通して多元研の歴史を感じていただ
ければ幸いです。
（加納純也）■編集・発行

取材を終えて

国立大学法人東北大学
多元物質科学研究所 広報情報室〒 980-8577

今回、さまざまな研究テーマについて、ほんとうにわかりやすくて、飽きずに聞ける解説をしていただきました。ひとつの事柄を状況に合わせていろんな角度から言説することができる、さらには誌面づくりのために惜しみなく協力していただける、スーパーなセンスとでも言えるでしょうか。
加えて一様に感じたのは、研究室メンバー・学内の連携から、他大学や研究機関・海外研究者との交流、さらに地域や社会との関わりを、皆さん非常に大切にしているということ。
研究に使うエネルギーとともに、ふだんのコミュニケーション力や調整能力がすごい。
そんなスーパーな存在の力で、この雑誌はできているのだと感じました｡

宮城県仙台市青葉区片平 2 丁目1番1号
TEL 022-217- 5204
FAX 022-217- 5211
www.tagen.tohoku.ac.jp
2020 年 1月 31日発行

TAGEN FOREFRONT 50