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稲垣 昭子准教授

都市教養学部 理工学系 化学コース
稲垣 昭子 准教授

キーワード:
触媒, プラスチック, 化学

現代社会に欠かせない、「触媒」の果たす役割とは?

目的とする材料を効率よく生み出すために

私たちの身の回りにある、洋服や携帯電話、スーツケース、自動車のタイヤなどには、柔らかな繊維から固いプラスチックに至るまで、さまざまな材料が使われています。それらの多くは、化学物質の反応によって作り出された材料です。こうした材料を効率よく作り出して活用するためには、特定の原料から目的とする材料を生成する「触媒」反応を開発することが重要になります。

目的の反応を達成するには精密なデザインが必要

触媒とは、生成される化学物質自体には取り込まれないものの、ほんの微量加えることによって、目的とする化学反応のルートを開拓し、より少ないエネルギーでその反応を実現可能にする物質です。触媒は、現代の化学工業でほとんどの合成に用いられていて、欠かすことのできない存在になっています。触媒によって目的とする反応を達成するためには、金属や有機配位子(金属イオンと結合する有機化合物)の選択により触媒の組成と構造を精密にデザインしなければならないため、化学に関するさまざまな知識を総動員して取り組む必要があります。

光で反応する触媒による、環境にやさしい化学合成

従来の触媒を用いた化学反応の多くは、熱エネルギーが必要です。しかし最近では、光を当てると化学反応を促進できる触媒という、新しい分野での研究も進められています。光による触媒反応は、熱エネルギーを用いるよりも格段に環境にかける負担が少なくてすむほか、今までにないルートでの化学反応を実現できる可能性を秘めています。そのためには、光を吸う色素を触媒と組み合わせる方法が考えられていますが、光反応には複雑な要素も多く、触媒のデザインにはさらに深い知識と経験が要求されます。この分野の研究が進むと、例えば将来、大気中の二酸化炭素から炭素を取り出して固定化する際などにも役立つのでは、と期待されています。触媒の研究は、私たちの社会の未来を支えていくための研究でもあるのです。

分子の世界のものづくり、光を自在に駆使して新しい材料を創る

巨大な分子構造を持つ、身近にある材料

「高分子」とは数千から1万以上もの分子が化学結合してできた物質です。「ポリマー(重合体)」という言葉も、最近では高分子とほぼ同じ意味合いで用いられており、単量体(モノマー)が繰り返し連なってできている巨大分子です。
高分子は、私たちの身の回りにあるたくさんのものに材料として使われています。例えば、商品の包装に使われる容器や袋に使われているポリエチレンやポリスチレン、ペットボトルに使われるポリエチレンテレフタラートは、高分子材料のもっとも身近な例です。そのほかにもプラスチックや化学繊維、塗料や接着剤など、高分子材料には数多くの種類があります。

分子の量を調整すると、特性も変化する

高分子材料は繰り返し結合する分子の量や組成、組み合わせや立体構造を意図的に調整することによって、異なるさまざまな特性を持たせることが可能になります。透明にしたり、どんな形にも曲げられるように柔らかくしたり、逆に非常に硬くて強度のある素材にしたりすることもできます。一般的に、分子量が多くなればなるほど、高分子材料は硬く溶けにくい特性を持つようになります。最近では、ポリスチレンなどの高分子材料を、光で反応する触媒を用いて生成する研究も進められています。光反応を用いると、従来の熱エネルギーによる方法では制御しきれない、精密な構造の高分子材料を作ることが可能になり、今までにない特性を持つ素材を生み出せるのではないかと期待されているのです。

分子の世界で味わえる「ものを生み出す」面白さ

高分子を含む、新しい材料の研究には、一種のものづくりのような面白さがあります。どんな分子を、どのような配列で組み合わせてデザインしていくか? 鎖状か、網目状か、多次元的な構造を持たせるのか? それらの組み合わせはほとんど無限に存在し、作ってみなければどんな特性を持つ材料になるかわからない場合も多いのです。分子の世界のものづくりは、私たちにとって未知の可能性が、まだまだ数多く残されています。

高校生・受験生の皆さんへのメッセージ

化学はものづくりの基礎となる学問です。私たちの身の回りにあるものには、柔らかい繊維や硬いプラスチックなど、化学物質の反応によって作り出された材料が用いられています。化学物質は、私たちの生活をより豊かにしてくれるものなのです。
身近なものの素材に興味を持って「何でできているんだろう? どうやって作るんだろう? どんな仕組みで動いているんだろう?」という素朴な疑問を通じて、化学に興味を持ってもらいたいと思っています。その素朴な疑問を解決するために、あなたも大学で化学の研究を深めていきませんか?

夢ナビ編集部監修

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