多孔性材料の技術革新と実用化への道

京都大学  物質-細胞統合システム拠点(iCeMS)副拠点長・教授 北川 進 氏 × トムソン・ロイター 渡辺 麻子

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京都大学 物質-細胞統合システム拠点(iCeMS)副拠点長・教授 北川 進 氏 × トムソン・ロイター 渡辺 麻子京都大学 物質-細胞統合システム拠点(iCeMS)副拠点長・教授 北川 進 氏 × トムソン・ロイター 渡辺 麻子対談 多孔性材料の技術革新と実用化への道

“気体の錬金術”。夢を現実にするナノ空間材料

環境、資源、宇宙、生命、エネルギーなど多領域への応用が期待されるナノサイエンス。なかでも今、「多孔性配位高分子(PCP)」と呼ばれる新材料の研究が世界中で活発化し、実用化も進んでいる。PCPとは有機配位子と金属イオンからなる均一の細孔を持つ物質のことで、少ないエネルギーで効率よくガスを分離貯蔵濃縮できることなどから、今後気体を自在に操るカギとなる可能性を秘めている。この領域を牽引しているのが日本人研究者、京都大学 物質-細胞統合システム拠点 副拠点長の北川進教授だ。

北川氏が同研究のコンセプトをまとめた2004年の論文の被引用数は、過去6年間で3000近く(2011年1月現在)を数え、そのほかの論文も総被引用数トップ1%にランクインするなど、頭抜けたインパクトを世界に与え続けている。その実積から、2010年には、「トムソン・ロイター引用栄誉賞」を受賞。さらなる研究を押し進める北川氏に、その研究内容及び今後の発展性などについて聞いた。

—北川先生は、2010年9月、「トムソン・ロイター 引用栄誉賞(注1)に選出されました。この賞は、「近い将来ノーベル賞を受賞される可能性のある、それだけの研究成果が引用から認められる研究者」をノミネートするもので、いわゆるノーベル賞受賞者予測とも目されています。この授与について、どのようにお感じになられましたか?

北川氏…僕は今まで、自分で新しい領域を作るというスタンスで研究に取り組んできました。ですから、ゼロから仲間と築いたそのフィールドが注目されるようになったのは素直に嬉しく感じています。ところで、引用栄誉賞の選出根拠にある、「引用その他」の“その他”とはどういうことですか?

—トムソン・ロイターには、ディビッド・ペンドルベリーという引用分析の専門家がいます。彼が毎年候補者を選出しているのですが、最初にノーベル賞分野において高い被引用総数を誇る研究者を世界中から選びます。そしてその研究内容がフロンティアであり、その研究者が先駆者であるか、その論文に続く論文がどういう成長を見せているかなど周りの情報も加味して絞り込んでいきます。コアはもちろん引用分析ですが、国際的な賞の受賞実積等も参考にしていることから、「引用その他」と表現しています。

北川氏…なるほど。よく分かりました。

—ペンドルベリーが今回北川先生を選出した理由は、化学や材料科学分野における多孔配位高分子の研究が引用からみて急速に成長していることです。その中で北川先生は、同系の研究を行っている米国オマー・M・ヤギー氏と並んで、研究の先頭を走るパイオニアでいらっしゃいます。2004年にAngewandte Chemie International Editionに発表された先生のレビュー論文は、過去6年間で3000回近く引用され、大きな影響力を持つ論文になりました。また、北川先生は、直近10年間だけでも26報の高被引用論文を発表されています。これは、全科学者中でも非常に高い数値です。先生の総被引用数を総論文数で割った1論文あたりの平均被引用数、いわゆる被引用インパクトは、過去10年のデータで化学領域中7位(注2)です。あらゆるデータが、北川先生が世界のトップにいらっしゃることを示していました。

被引用数順に並べた北川氏の論文リスト:ReseracherIDより

被引用数順に並べた北川氏の論文リスト:ReseracherIDより

北川氏…根拠が明確ですね。日本の化学には少し前までこのような統計値によるインデックスがなく、世界的権威のジャーナルにどれだけ論文を掲載したかが基準でした。リアルな影響力を示すトムソン・ロイターの指数は研究者の学びになります。ただし、気をつけねばならないのは、活発な分野に参入していくと引用が増えやすいということです。どうせ挑むなら、できるだけ未開拓の分野に挑戦した方がいい。私は有機化学の本流ではなく、ノーベル賞を受賞された福井謙一先生の物理化学系の流れですが、当時そこはすでに大きな領域でしたので、敢えて自分でやらない限り広がらない狭間の錯体化学を始めました。

—米国のオマー・M・ヤギー氏とは、偶然同じようなご研究を?

北川氏…ええ、歴史は不思議です。たまたま同じ時期、非常に似たことを研究し始めていました。1995年、ヤギー先生は米国化学会誌JACS(The Journal of the American Chemical Society)で金属錯体からつくられるネットワーク骨格をもつ化合物群を「Metal-Organic Framework (MOF)」と名付けました。僕が呼称している“PCP”と基本的に同じ物質です。後にこの骨格を持つものの中に、 “porosity(多孔性)”を持つものが多く現れ、MOFまたはPCPが多孔性金属錯体の代名詞となりました。ところでヤギー先生がJACSに発表したときは、彼はまだナノサイズの空間が活用できると実証できていなかった。その後、1997年、僕がドイツ化学会誌 Angewandte Chemie International Editionで、結晶中のナノサイズの空間にある溶媒分子を室温で完全に除いて、そこにガス分子を出し入れできることを実証するとともに“すべて除いても壊れないもの、すなわち金属錯体においても多孔性が存在する”ことを示したわけです。すると世界の研究者が、有機分子を用いた結晶(金属錯体は有機分子を用います)でもナノサイズの空間を自由に使える、これは面白そうだと続々参入してきて領域が一気に活発化した。当時はちょうどエネルギーや環境問題、つまりメタンや二酸化炭素が注目され始めた頃で、それらも勢いを後押しした要因だったと思います。

ヤギー氏と北川進氏

ヤギー氏と北川進氏

—なぜ、北川先生は多孔性の発見という成功に至ったのでしょう?

北川氏…そもそも孔のある金属錯体にガスを出し入れしようと誰も考えなかったのでしょう。むしろ、研究者は金属イオンと有機分子でできた“骨格の面白さ”にはまります。構造の美学のようなもので、たとえばダイヤモンドなど炭素原子が組み上げる自然構造を再現することなどにのめりこんでいく。僕も最初はそうでしたが、ある時、企業の方に「活性炭みたいな吸着体はできませんか?」と尋ねられ、それがこの研究を進めるきっかけになりました。

僕の座右の銘に、2400年前の荘子の「無用之用」という言葉があります。「役に立たないと思えるものも実は役に立つ」という意味です。たとえば、何でもない立方体も、その枠内を「空間」と考えると役立つかもしれないという発想です。われわれの研究原点も「空間とは単に何もない空隙ではなく機能の宝庫である」という立場に立っています。地球上であれば、そこには分子やイオンがある。空間を様々な材料で仕切ることにより、今まで知られていなかった構造ができあがります。すると、中の分子やイオンが外から影響を受けて変化し、結果、従来反応しなかったものが反応し始める。そこに新しい化学が生まれるわけです。20世紀は化学が飛躍した時代でしたが、注目を集めたのは“フレームワーク”、つまり骨格でした。しかし、これからは、まさに荘子が言ったように「重要でないと考えられていたことも、実は重要である」つまり、「空間は機能の宝庫である」という視点が必要だと考えます。

多孔性の概念

多孔性の概念

そういう意味で“多孔性”という概念を錯体材料に導入したことが僕とヤギー先生の最大の功績かもしれません。金属錯体結晶に“Porosity(多孔性)”という概念を導入した代表的物質を発表した1997年以降、この領域は急激に活性化し、情報が混乱しました。そこで一度整理しようと考え、2004年に本研究の基本コンセプトをまとめたのです。

—素晴らしいですね。多孔性配位高分子に関わる先生のご研究は大変画期的で、私達の生活に密接にかかわる部分が多いといわれています。「夢を現実にする空間を化学する」という先生の研究についてもう少し詳しく教えてください。

北川氏…要は“気体”です。僕が研究しているのは気体をいかに自在に扱うか、つまり“気体制御法の探求”です。酸素、二酸化炭素、窒素、メタン、水素などの気体は、エネルギー、環境、資源、生命、宇宙など、あらゆる分野に関わる重要な物質です。環境でいえば二酸化炭素の削減は地球温暖化防止に欠かせないですし、窒素酸化物など空気を汚染する気体もそう。宇宙空間や人類が生きるためには酸素が不可欠です。大量にあるメタンの有効利用や、次世代エネルギーとして期待されている水素の効果的な分離、貯蔵、変換ができれば、気体を中心とした技術で、資源枯渇、エネルギー大量消費問題に悩まされなくなる。

そして非常に重要なのが炭素資源です。なかでも化石資源である石油代替の資源を産み出す分野は、世界的に早急な革新的技術を切望されています。この問題を解決する有望なものに、二酸化炭素とメタンがあります。ともに気体材料です。実は、気体を有用な物質に変換する技術について、素晴らしい成果が20世紀の初頭(100年前)にありました。現在、肥料製造の大部分において原料となるアンモニアを合成するためには、一世紀以上前に発明された窒素ガスを原料とする“ハーバー・ボッシュ法”(注3)という工業的技術を用いています。空気から役立つものを作るサイエンスとしてアインシュタインに並ぶ偉大な業績ですが、高温、高圧の条件でアンモニアを製造するため、大量のエネルギーを消費するという欠点があります。100年前は、大量のエネルギーを消費して無理矢理作るという技術でよかったのですが、現在は、二酸化炭素の大量排出やエネルギーの大量消費問題など、かつてと状況は大きく異なります。どこにでもある資源(すなわち空気や水)を用いて、低エネルギーで有用なものを合成するサイエンスと技術が必要です。

そこで我々が実現させようとしているのが、まさにハーバー・ボッシュに継ぐ“第二期の気体の錬金術”です。常温の環境下で空気から、窒素や二酸化炭素、酸素を効率的に分離する。そして保存、運搬のために安定に大量貯蔵し、触媒を用いて必要な材料に変換する技術が求められます。特に変換では気体原料が高速で反応するため、圧力をかけずに高濃度の状態を実現することが必要です。まさに分離、貯蔵、変換を行うことによる“ガスを自在に取り扱う”夢のような技術は、多孔性材料を用いることではじめて実現できるはずです。世界にあまねく平等に存在する空気を資源とする技術、大量に存在するメタンを用いるサイエンスは、石油に変わる革命的な技術になり得ます。

配位空間の機能

配位空間の機能

—夢のようなお話ですが「夢を現実にする。空間を化学する」というコンセプトにぴったりですね。ヤギー氏とは、まったく同じご研究なのでしょうか?

北川氏…同じ方向性ではありますが、ひとつだけ僕しかできないことがあります。それは無機物にはない柔らかい多孔性錯体材料を見つけたことです。多孔性配位高分子を用いて柔軟な空間を持ち、気体の圧力、光、温度などの外場に応答して構造、機能を変えるソフトな多孔性結晶材料を実現しました。今、ある企業と実用化を進めていますが、これにより多孔性物質の用途を飛躍的に拡大することができます。ほかにも、この領域には、まだまだ無限の可能性があります。さらに、興味があるのは軽金属元素です。地球に大量に存在するアルミニウムのような軽金属元素などです。この金属元素イオンを用いて機能性材料を作り出していけば、資源枯渇問題を回避できます。ヤギー先生はゼオライトや活性炭などの“従来材料を超える機能”を作り出していますが、僕は“従来材料にない機能”を追求しているのです。

—素晴らしいご研究ですね。発展を心より応援しております。北川先生の論文がどのような国の人に引用されているかResearcherIDで調べると、中国科学院(Chinese Academy of Science: CAS)での引用が顕著です。共同研究はされていないと伺っていますが、これについてはどのようにお考えですか?

北川論文の被引用マップ:ResearcherIDより

北川論文の被引用マップ:ResearcherIDより

北川氏…PCPの研究領域が実用に直結するからでしょう。中国は、アメリカ同様、非常に合理的な国民性なので実用化に繋がりそうな研究には一気に参入してきます。中国では、公害対策など、この技術を活かして課題すべき問題が山積みですから、この領域が特に高く評価されているのでしょう。そうやって見ていくと、ResearcherIDは研究を戦略的に進めるのに役立ちます。例えば、自分の論文があまり引用されていない国や地域はどこか? そこには競争相手がいるのか? 引用されない理由が何かあるのか、と追求することができますね。また、大抵の研究者は自分が開発したフレームワークに名前をつけますが、そういう分布もすべて分かります。世界の研究者が発表する研究が、どのように広がっているかを分析することで、今、どこの誰が何に興味を持っているのかが把握できる。敵を知る、あるいは共同研究者を探す術にもなります。こういう分析は若い人こそ積極的にしていった方がいい。今後、自分達がどこに進んでいくべきかを探るカギとなるでしょう。

—先生は、新規開拓や国際的なアプローチをどのように行うのですか?

北川氏…大きな国際会議には必ず出席し、学会などで開拓したい地域の研究者とのコネクションを探します。研究領域を発展させるには「広げていく」という意識をもつことが大事です。

—Web of Science Core Collection のCitation Map機能では、引用文献をビジュアライズして表示することができます。2004年のレビュー論文の引用文献は456。著者や分野、年代別に表示することもできます。

Functional porous coordination polymersの年代別citation map

”Functional porous coordination polymers”の年代別citation map。1898年からの論文を引用していることがわかる。

北川氏…これは非常に面白い。我々研究者にとって論文を投稿するための戦略は非常に大事です。ひとつには、いい論文を書くこと。そして、もうひとつは、インパクトファクターが高いトップジャーナルに論文を掲載すること。良い論文を書くためには、その領域に関する文献をできるだけ万遍なく引用していることが大事です。考えてみれば当然のことですが、例えば僕の分野の論文であれば、ジャーナルの編集者から僕に論文のピア・レビュー依頼が回ってきます。その時、自分と近い分野にも関わらず僕の論文がまったく引用されていなかったら少なからず疑問を持つ可能性もありますね。ですから、学生にはいつも「科学者として、その分野のバッググラウンドをしっかり理解した上で自分が優れている点を証明しなさい」と言います。引用文献に偏りがなく、オリジナルもきちんと引用しているのは重要です。歴史を振り返り、その背景を知る。研究者の良心として、自分のいい所を出すためには過去もきちんと包括することです。

—なるほど。Web of Science Core Collection は過去100年間の引用データを保有していますが、研究者にはお役にたちますか?

北川進氏

北川氏…非常に役立ちます。先ほどもいったように、僕ら研究者は論文を書く際、歴史を遡ってその領域に関する文献を万遍なく引用していく。歯抜けの引用を持つ論文がいい論文のはずがありません。また、オリジナリティを尊重するというのは、誰が最初に、どういうコンセプトをだしたかということを明確に示すということです。オリジナリティを認めて、自分がどこの位置にあるかということを研究者として常に意識し続ける。これは非常に重要です。

—近年、「日本人が外に出ない」「海外との共同研究が少ない」などと言われていますが、実際、先生の目からみてどうでしょう? これからの研究者へのメッセージ、また研究者を育てる試みを教えてください。

北川氏…やはり海外に出てほしいですね。特に東大や京大など有名大学の研究者は、それが使命です。僕が学生時代からいわれてきたことは、「学会でどういう意識を持つのか」、ということです。仲間ばかりいる同窓会ではなく“feel alone”になってほしい。誰も知らない、専門用語も分からない、言葉さえ分からない。そんな環境に身を置くということは、すなわち新しい領域に自分がいるという指標です。アメリカは、英語が話せて当たり前という文化があるから最初はきついかもしれないが、怖がる必要はありません。東大や京大の学生は、もともと言われなくても勉強します。だから半年くらいで力がつき、自信がついて、友達もでき、すべて成功するでしょう。精神的に多少追い込まれるのも良い勉強です。もうひとつ重要なのは、海外で色々な人物と会ってくることです。同じ釜の飯を食うといいますが、一年一緒なら30年後にあっても「やあ」のひと言で話せる関係になる。良いパイプを持つことが学問においても非常に重要です。帰国後の就職先やポジションを心配する研究者もいますが、「そんな心配はせんでいい」と伝えています。会社もそうですが、やるべきことをきっちりとやって堂々としたらいい。与えられた研究をしっかりやれる研究者は必ず見出されますから。

渡辺麻子

—最後になりますが、トムソン・ロイターのリポートでも、最近研究の中心は欧米からアジアへシフトしつつあるという結果が出ています。アジアで日本はリーダー的存在でしたが他国の台頭が目覚ましくなってきている。今後、学生の留学先として中国は選択肢に入りますか?

北川氏…化学分野においては、まだ数年先のことではないでしょうか。設備面で一部素晴らしい研究機関もありますが、これからだと思います。ただ、5年程前に錯体化学会で、錯体化学の領域に関する発表論文について、世界的なジャーナル、例えば”JACS”や”Nature”、“Science”などを調べてみたところ、インパクトファクターが高い総合誌には日本の方が論文を多数発表していましたが、錯体化学および無機化学分野の専門誌では、のきなみ中国に抜かれつつありました。結論として、サイエンスクオリティーはまだ日本の方が中国より高い部分もありますが、分野によっては中国が追いつき、追い越している。つまり、日本の無機化学研究自体が衰退の道を辿っていると分析しました。

実際、東大や京大は国から潤沢な資金を投資されている一方、地方大学は競争的資金に移行したため経常費が1/10と削減しています。コピー代も出せず困窮する教授さえいる状況です。これが、今の日本の最大の問題でしょう。ちなみに、上記のジャーナル分析をした時は担当者が一冊々手作業で調べていったのですが、こういう統計資料も簡単にできますか?

—手作業は大変ですね。Web of Science Core Collection がお手伝いできます。

北川氏…それは非常に活用度が高い。Web of Science Core Collection やWeb of Scienceなどデータベースから導かれる明確な統計分析は、今の時代、企業、パートナー、政府など、あらゆる機関に向けたプレゼンなどアウトプットに非常に有効です。今、僕は第4期科学技術基本計画に向けたコメントなど様々な方面から意見を求められているのですが、そういう場でも説得材料に学術的な論理的数値が不可欠といえます。使い手次第では、日本の研究未来を支える重要な一端を担うでしょう。

—ありがとうございます。今後も先生のご活躍を心より応援しております。

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注1:トムソン・ロイターの学術論文データベース Web of Science Core Collection の引用その他から導き出される客観的なデータを基に、同社アナリストのディビッド・ベンドルベリーが毎年ノーベル賞に匹敵する研究者を選出している。

注2:Web of Science Core Collection の、過去10年で200報以上の化学論文を発表した研究者データより。

注3:“ハーバー・ボッシュ法”とは、鉄を主体とした触媒上で水素と窒素を500℃、200気圧付近の超臨界流体状態で直接反応させ、アンモニアを生産する技術のこと。

(2011年2月掲載)


北川 進(きたがわ・すすむ)氏

略歴
1974年 京都大学工学部石油化学科 卒業
1976年 京都大学大学院工学研究科 石油化学専攻修士課程修了
1979年 京都大学大学院工学研究科 石油化学専攻博士課程修了
1979年 京都大学工学博士
1979 -1983年 近畿大学理工学部 助手
1983 -1988年 近畿大学理工学部 講師
1988 -1992年 近畿大学理工学部 助教授
1992 -1998年 東京都立大学理学部化学教室 無機化学第一講座 教授
1998 -2007年 京都大学大学院工学研究科 合成・生物化学専攻 教授
2007年 ‐現在 京都大学 物質-細胞統合システム拠点(iCeMS) 副拠点長および
京都大学大学院工学研究科 合成・生物化学専攻(兼任) 教授
受賞歴
2002年 第19回日本化学会学術賞
2007年 Earl L. Muetterties Memorial Lectureship, University of California, Berkeley
2007年 平成19年度錯体化学会賞
2008年 Humboldt Research Award, Alexander von Humboldt-Foundation
2009年 第61回日本化学会賞
2010年 トムソン・ロイター引用栄誉賞