中空材料 - 科学者が2025年のノーベル化学賞を受賞するための鍵

(ダン・トリ) - 2025年のノーベル化学賞は、金属有機構造体を発明した3人の科学者に授与され、分子レベルで物質を保存、分離、処理する技術の新しい時代を切り開きました。

スウェーデン王立科学アカデミーは10月8日午後、2025年のノーベル化学賞を金属有機構造体（MOF）の開発における先駆的貢献により北川進、リチャード・ロブソン、オマール・M・ヤギの3名の科学者に授与すると発表した。

2025年のノーベル化学賞を受賞した3人の科学者のポートレート。

ノーベル賞委員会によると、これは材料科学における全く新しい言語の形成における転換点となる。金属と有機化合物は複雑に絡み合い、分子を貯蔵、分離、変換できる多孔質ネットワークを形成する。これは、現代のエネルギー、環境、化学技術における革命的な方向性と考えられる。

金属と有機物の魔法の組み合わせ

金属有機構造体は、金属イオンまたは金属クラスターが有機リンカーに規則的に繰り返し結合して三次元ネットワークを形成する結晶構造です。

金属ノードと結合分子の間には大きな空隙が存在し、この材料は極めて多孔質です。従来の固体材料とは異なり、金属有機構造体の表面積は1グラムあたり数千平方メートルに達することもあります。

金属有機構造体内部の中空構造（写真：MOF Technologies）。

オマール・ヤギ教授は2017年、Chemistry World誌のインタビューで、MOFの多孔度は10,000 m²/グラム（他の多孔質材料の10倍）に達するものもあり、1グラムのMOFはアメリカンフットボール場約2つ分に相当する内部表面積を持つと述べています。この特性により、MOFは分子を制御された方法で吸着、貯蔵、分離することができ、ゼオライトやシリカなどの他の多孔質材料よりもはるかに優れています。

ノーベル委員会によると、これらは「自然界で前例のない多孔性を持ちながら、結晶構造の安定性と持続性を維持している材料」です。有機化合物の柔軟性と金属の耐久性を組み合わせる能力により、金属有機構造体は21世紀化学における最も重要な発明の一つとなっています。

アイデアから科学革命へ

金属有機構造体の開発は、1980 年代後半にメルボルン大学 (オーストラリア) のリチャード ロブソンが行った最初の実験から始まり、30 年以上にわたる歴史です。

彼は最初の金属有機構造体の構築を開拓し、金属イオンを有機分子に結合させることで、一次元、二次元、あるいは三次元に広がる結晶構造を形成できることに気づいた。しかし、これらの初期の材料はしばしば不安定で、溶媒や高温にさらされると崩壊してしまうことがあった。

金属イオンと有機分子が慎重に結合して、金属四面体骨格に似た構造を形成します (画像: スウェーデン王立科学アカデミー)。

1990年代半ばまでに、当時京都大学に在籍していた北川進は、自らが開発した有機金属結晶構造体の内部にガスが浸透し、移動できることを実証しました。これは画期的な進歩であり、固体材料が周囲環境と動的に相互作用できることを初めて実証しました。

またこの時期に、若きアメリカ人化学者オマー・M・ヤギは、精密に定義された構造を持つ、安定かつ熱的に安定な金属有機構造体（MOF）を合成する手法を開発しました。彼は「網状化学」という概念の基礎を築きました。これは、分子構成要素を意図的に連結することで、所定の特性を持つ結晶格子を形成する手法です。

ヤギ氏が作成した安定した材料 MOF-5 の構造には立方空間があります (画像: スウェーデン王立科学アカデミー)。

3 人の科学者の貢献により、この新しい研究分野は現代の材料化学における独立した方向に発展し、数万種類の金属有機構造体が合成され、多くのハイテク分野に応用されています。

世紀の発明の拡張された応用

この研究は、金属有機構造体が「多孔質でありながら強固」な特性を持つため、これまで固体材料では不可能だった多くの役割を担うことができることを実証しています。

ノーベル委員会のプレスリリースによると、金属有機構造体は多孔質構造にCO₂を吸着・貯蔵することができ、温室効果ガスの排出削減に貢献できるとのことです。一部の金属有機構造体は、乾燥した砂漠の空気中の天然湿度のみを利用して水蒸気を捕捉し、太陽エネルギーをきれいな水に変換することができます。これは、水資源が乏しい地域にとって特に有用な技術と考えられています。

MOFは高い表面積と選択性を持つことから、揮発性有機化合物のろ過、廃水からの重金属や有毒化学物質の除去、ヘリウムや水素などの希ガスの分離にも利用されています。科学者たちは現在、エネルギー貯蔵、特にクリーン燃料として有望な水素とメタンを対象とする金属有機構造体の研究を進めています。

ヤギ研究室のメンバー（写真：カリフォルニア大学バークレー校）。

注目すべきは、オマール・ヤギ教授が2021年に「新興分野で傑出した業績を挙げたイノベーター」（新分野を研究する科学者）部門でVinFuture賞も受賞したことだ。

ベトナムはグリーン変革を推進し、エネルギー、環境、バイオメディカル産業向けの先端材料を開発しているため、MOFの研究はベトナムの潜在的な発展方向としても考えられています。

VinFuture InnovaConnectなどのプログラムを通じて、ベトナムの科学者は国際的な研究コミュニティと直接つながり、MOF、次世代バッテリー、炭素回収などの新興分野での協力を拡大する機会を得ています。

第1回VinFuture賞授賞式に出席したオマール・ヤギ教授。

2025年のノーベル賞発表の際に、ノーベル化学委員会のハイナー・リンケ委員長は次のように述べた。

「金属有機構造体は大きな可能性を秘めており、新たな目的のためにカスタマイズされた特性を持つ人工材料を作成する前例のない機会を切り開きます。」

これらの材料は、大気汚染、気候変動、きれいな水の不足、再生可能エネルギーの貯蔵など、21 世紀の人類が直面する地球規模の課題の解決に役立つことが期待されています。

2025年ノーベル化学賞受賞者からのメッセージ

2025年のノーベル化学賞は、3人の傑出した科学者を称えるだけでなく、材料科学における新しい考え方という深遠なメッセージを送ります。つまり、「空」はもはや単なる無意味な空間ではなく、可能性に満ちているということです。

科学的な観点から見ると、金属有機構造体の発明は、物質の発見から新材料の創造への転換を象徴しています。人類はもはや自然に完全に依存するのではなく、特定の目的のために構造と機能を備えた新しい材料を設計できるようになりました。

金属有機構造体の影響は現在の用途に留まらず、将来的には同様またはさらに優れた機能を備えた共有結合有機構造体 (COF) やゼオライトイミダゾレート構造体 (ZIF) などの新世代の材料の開発への道を開きます。

他にも多くの種類の MOF 構造が合成されており、それぞれが独自の機能を果たしています (写真: スウェーデン王立科学アカデミー)。

最初の結晶が育てられた小さな研究室から、有毒ガスをろ過し、空気から水を「絞り出し」、エネルギーを貯蔵できる材料システムのビジョンまで、金属有機構造体の開発の道のりは、革新、学際的なコラボレーション、持続可能な価値の追求という現代科学の精神を体現しています。

出典: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/vat-lieu-rong-chia-khoa-giup-cac-nha-khoa-hoc-gianh-nobel-hoa-hoc-2025-20251009215157748.htm