ノーベル賞有力！北川進が拓く多孔性配位高分子と脱炭素最前線

北川 進――その名がノーベル化学賞の最有力候補として世界中の研究機関や科学メディアで熱狂を呼ぶようになってから久しい。地球規模の気候変動やエネルギー危機が深刻さを増す現在、空気のように掴みどころのない気体分子をナノレベルで自在にトラップし、分離・貯蔵する技術は、もはや単なる基礎研究の枠を超えて文明を左右するインフラ技術へと飛躍を遂げつつある。目に見えない気体の檻を設計するという極限の挑戦が、今まさに現実の産業構造を揺さぶり始めている。

物質の内部に無数の極小空間を作り出す材料といえば、古くは活性炭やゼオライトが知られていた。しかし、京都大学特別教授である北川 進の手によって生み出された多孔性配位高分子（PCP: Porous Coordination Polymer）は、それまでの常識を根底から覆した。金属イオンと有機配位子が織りなすジャングルジムのような立体フレームワークは、人間が用途に合わせて原子・分子の隙間をオングストローム単位で自在にデザインすることを可能にしたのである。この「柔らかい多孔性材料」が拓いた地平は、ナノテクノロジー・先端材料科学の歴史における最大のブレイクスルーの一つに数えられる。

多孔性配位高分子（PCP/MOF）の全貌：脱炭素を加速させる最新研究と実用化の最前線

目に見えない気体分子を捕獲し、選別し、変換する。この一連のプロセスにおいて、PCPおよびMOF（金属有機構造体）は驚異的な能力を発揮する。わずか角砂糖1個分、重さにして1グラムの結晶内部に、サッカー場数面分に匹敵する表面積が凝縮されているのだ。気体分子が整然と並んだナノゲートを通り抜ける際、狙った分子だけがフレームワーク内に物理的・化学的に吸着される。この精密な分子認識機構が、エネルギー多消費型だった従来のガス分離技術を一変させた。

現在進行している多孔性配位高分子（PCP）開発プロジェクトでは、工場排ガスや大気中からの二酸化炭素直接回収（DAC）に向けた実証試験が加速度的に進展している。従来のアミン吸収法のように大量の熱エネルギーを投じてCO2を脱離させる必要がなく、圧力のわずかな変化や光照射によって吸脱着をコントロールできるため、回収コストの劇的な低減が見込める。基礎概念の確立から四半世紀を経て、材料科学の知見は今、社会実装という巨大なうねりへと突入した。

「気体を操る」ナノ空間の魔術：従来の多孔質材料と何が違うのか

かつて化学界の定説では、金属錯体が規則的に結合した配位高分子は乾燥させると骨格が崩壊し、多孔性を維持できないと信じられていた。北川氏が1997年に第1世代の多孔性錯体を発表した際も、当初は懐疑的な視線が注がれたという。しかし、骨格に柔軟性を持たせた「第3世代PCP」の登場によって風向きは完全に変わった。外部刺激に応じて結晶格子が呼吸するように可逆的に開閉するダイナミックな構造変化は、世界中の化学者を驚嘆させた。

日本化学会をはじめとする学術コミュニティにおいても、この構造柔軟性（フレキシビリティ）の発見は材料化学におけるパラダイムシフトとして位置づけられている。硬直した無機ゼオライトとは異なり、吸着するゲスト分子の量や種類に応じて自律的に形を変える。これにより、極めて似通った分子構造を持つガス同士――例えばエチレンとエタン、酸素と一酸化炭素――を極めて高い選択性で瞬時に見分けることが可能になった。

オマール・ヤギー氏との競合と共闘：ノーベル化学賞をめぐる世界的評価

多孔性ネットワーク材料の進化を語る上で、米カリフォルニア大学バークレー校のオマール・ヤギー教授の存在を外すことはできない。北川氏がPCPの柔軟性と機能性に焦点を当てて道を切り拓いたのと並行し、ヤギー氏は「網目構造化学（Reticular Chemistry）」の概念を打ち立て、強固な結合を持つMOFやCOF（共有結合性有機構造体）の体系化を推進した。両者は時に先駆者としてのプライドをぶつけ合い、時に互いの業績を称え合いながら、この分野の爆発的な発展を牽引してきた。

トムソン・ロイター（現クラリベイト）引用栄誉賞をはじめ、ウルフ賞やフンボルト賞など、ノーベル賞の前哨戦とされる世界的学術賞を両氏が軒並み受賞している事実は象徴的だ。ノーベル化学賞の選考委員会が「気体革命をもたらした新素材の創成」にスポットを当てるその瞬間、両雄の共同受賞となるのか、あるいは構造柔軟性の独自理論が先んじるのか。世界のサイエンスコミュニティは固唾を飲んでその動向を見守っている。

脱炭素・CCUS産業に革命を起こす気体分離・貯蔵技術の社会的インパクト

地球温暖化の抑止が国際的な急務となる中、脱炭素・CCUS（CO2回収・利用・貯留）産業は、金属有機構造体（MOF）による気体分離・貯蔵技術に熱狂的な期待を寄せている。火力発電所や製鉄所から排出される高温・高湿度の混合ガスから、低エネルギーでCO2のみをピンポイント回収する。このプロセスが実用化されれば、産業界が抱える莫大な脱炭素コストは一気に圧縮される。

応用範囲は二酸化炭素の回収にとどまらない。次世代クリーンエネルギーの本命である水素やメタンの常温・低圧高密度貯蔵、さらには砂漠の大気から水分を吸着して飲料水を生成するプロジェクトまで、MOFがもたらす産業変革の射程は極めて広い。重く危険な高圧ボンベに頼る時代から、軽量なナノ多孔質フィルターが気体を安全かつ自在にコントロールする時代へ。持続可能な未来への架け橋が、まさにこの結晶の中に築かれつつある。

iCeMSから広がるイノベーション：学術とスタートアップが結ぶ未来

革新的な基礎研究の成果をいかにして産業へ橋渡しするか。その中核拠点となっているのが、京都大学高等研究院物質-細胞統合システム拠点（iCeMS）だ。iCeMSでは、化学、物理学、細胞生物学の知見が融合し、材料の合成から生体適合性デバイスの開発まで越境的な研究が日々繰り広げられている。

近年では、大学発のディープテック・スタートアップが続々と立ち上がり、特定の有毒ガスを検知・除去するスマートマスクや、半導体製造ライン向け超高純度ガス精製フィルターなどの製品化が進む。研究室のフラスコの中で生まれた微細な結晶が、グローバル企業のサプライチェーンを静かに、だが不可逆的に変え始めているのだ。

サイエンスドキュメンタリーと学術特集が照らす「人類の難題」への回答

科学の最先端で起きているこの劇的な変革は、今や研究者だけでなく一般市民の関心をも強く惹きつけている。NHKオンデマンドやサイエンスチャンネルで配信されるサイエンスドキュメンタリーでは、ナノ空間が地球環境を救うプロセスが可視化され、多くの反響を呼んだ。気体という目に見えない存在をコントロールすることが、いかに私たちの食糧、エネルギー、気候に直結しているのかを映像が鮮烈に伝えている。

毎年秋に過熱する学術解説・ノーベル賞特集においても、多孔性配位高分子がもたらすインパクトは常に議論の中心にある。一人の科学者の純粋な好奇心から始まった「空間の合成」というアイデアが、地球規模の環境課題に挑む人類最強のツールとなった。北川氏が切り拓いたナノの宇宙は、私たちが直面する21世紀最大の難題に対する、確固たる科学の回答なのである。 （出典: 北川 進（Yahoo!ニュース））