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高木 慎介 教授

高木 慎介 准教授

都市環境学部 分子応用化学コース
高木 慎介 教授

キーワード:
光合成, エネルギー, 粘土鉱物

植物に学べ!「人工光合成」で太陽光を化学エネルギーに!

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理想のエネルギー変換は光合成

太陽光を化学エネルギーに変換するお手本は、植物の光合成です。植物は、太陽光を用いて、水と二酸化炭素から酸素と炭水化物を生成しています。我々動物はこの光合成反応と全く反対のことを行って生存しています。このように人工的に太陽光を化学エネルギーに変換できれば、循環型のエネルギー環境を構築でき、エネルギー問題の解決に貢献できます。

機能性色素分子の並びを制御する方法を発見

光合成は、光を吸収する部分(光捕集系)と、物質を変換する部分(物質変換系)とで構成されています。光捕集系の組織を作るためには、光を集める機能性色素の分子を規則正しく並べる必要がありますが、分子の並びを人工的に制御することは極めて困難で、その方法の開発が課題となっていました。しかし、近年、粘土鉱物を活用することで、分子の並びを人工的に制御する「サイズマッチングルール」という方法が見出されました。これは、粘土鉱物表面の負電荷の密度を制御することで、負電荷と引き合う機能性色素分子の並びを制御する方法です。
粘土鉱物は、ケイ素、マグネシウム、アルミニウムを含む板状の粒子で、表面に負電荷(-)を帯びています。負電荷は、ケイ素がアルミニウムに置き換わるときに発生するもので、置換の割合により、負電荷の密度は変わります。一方、機能性色素分子は、陽イオン(+)性分子なので、粘土鉱物の負電荷と引き合います。したがって、粘土鉱物の負電荷の密度を制御すれば、それと引き合う機能性色素分子の並びも制御できるのです。

国家プロジェクトで技術開発に挑戦

小学生でも知っている光合成ですが、実はそのメカニズムは非常に複雑で、人工的に行うには、まだまだたくさんの課題を解決しなければなりません。しかし、国家プロジェクトが立ち上げられるなど、国を挙げての挑戦が進められており、人工光合成の技術開発には、大きな期待が寄せられています。

千の用途を持つ材料、そしてナノの世界を拓く「粘土鉱物」

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千の用途を持つと言われるハイテク材料:粘土鉱物

粘土鉱物を知っていますか。粘土鉱物は、セラミックスの一種で、1000以上の用途を持つと言われ、身近なところでは、ペットのトイレ用の砂から化粧品や洗剤、土木用材料までさまざまなものに使われています。一方で、人工光合成、機能性色素材料の部材、果ては生命の起源との関わりの研究まで最先端の研究分野でも大いに注目されている古くて新しい材料です。

粘土鉱物の負電荷が分子の並びを制御

太古の昔から広く利用されてきた粘土鉱物ですが、近年、最先端技術開発の分野でも注目されるようになりました。
粘土鉱物は、ケイ素、マグネシウム、アルミニウムを含む板状の粒子で、原子レベルで平滑な表面を持っており、その表面は、負電荷(-)を帯びています。これは、ケイ素がアルミニウムに置き換わる際に発生するもので、アルミニウムが少なければ、板上の負電荷の密度は低く、逆に多ければ負電荷の密度は高くなります。したがって、アルミニウムの割合を変えることで、負電荷の密度を制御することができます。
この粘土鉱物の上に陽イオン性分子を乗せると、負電荷と陽イオン性分子(+)とが引き合うため、負電荷の密度が陽イオン性分子の密度を決定します。つまり、粘土鉱物の負電荷密度を制御することで、これまで難しいとされてきた分子の並びを人工的に制御することが可能になるのです。

人工光合成技術や機能性材料の開発にも

この技術を活用すれば、光エネルギーを集める分子の配列を制御することができるため、植物の葉の中で行われる光合成の光捕集機能を人工的に作ることが可能になります。つまり、無機物の「葉」を作れる可能性が高まるのです。さらに、負電荷の配列を制御することで、距離だけでなく、分子の配向(向き)も制御ができ、これにより、環境によって色が変わる機能性色素材料の開発も可能となります。
このように、粘土鉱物は、身近でありながら、未知な可能性も秘めた魅力的な物質なのです。

高校生・受験生の皆さんへのメッセージ

有限である化石燃料に依存し続けることは不可能で、新しいエネルギーの開発が求められています。地球をひとつの入れ物と考えると、外から入ってくるエネルギーは、太陽光エネルギーだけです。それを上手に分配し、利用できれば、エネルギー問題の解消に大きく役立ちます。我々の研究室では、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変える人工光合成の技術開発に取り組んでいます。化学の力を活用して、エネルギー問題の解決に貢献したいという大きな夢の実現にあなたも一緒に取り組んでみませんか。


夢ナビ編集部監修

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