要点

• 天王星が軌道面から98度傾いて自転、衛星の軌道面も同様に傾いて回る謎。
• 天王星への巨大衝突で大蒸発がおこることに注目し、質量、軌道分布を説明する衛星形成の新モデルを構築。
• モデルは海王星や太陽系外の氷を多く含む惑星の新たな標準モデルとなり得る。

概要

東京工業大学 地球生命研究所の井田茂教授は、京都大学の上田翔士研究員（現・神戸大学 大学院理学研究科 学術研究員）、佐々木貴教助教、大学院理学研究科の石澤祐弥大学院生（博士後期課程2年）と共同で、天王星^[用語1]の衛星の起源を理論的に研究し、新たな衛星形成モデルを作成することに成功した。

研究チームは、天王星への巨大衝突で大蒸発がおこって水蒸気円盤が形成され、その円盤が衛星の材料になる氷が再凝縮するまで冷却される過程を精密に調べることで、現在の天王星の衛星群の分布が見事に再現される理論モデルを構築した。これは、これまで議論されてきた地球型惑星や木星型惑星の衛星形成とは全く異なり、天王星のような氷惑星に対する新しい理論モデルである。

巨大衝突を考えると天王星の衛星の傾いた軌道は説明可能だが、これらが天王星から遠くまで分布し、総質量が天王星の1万分の1しかなく、大きい衛星が外側に偏っていることは、今までは全く説明できず、天王星衛星の起源は大きな謎とされていた。

研究成果は2020年3月30日付（英国時間）の国際学術誌「Nature Astronomy（ネイチャー・アストロノミー）」に掲載された。

背景

太陽系の多くの惑星では自転軸が軌道面にほぼ直立している。ところが、天王星は自転軸が98度傾いて、ほぼ横倒しである。天王星は5つの主要衛星を持っているが、これら衛星の軌道面も天王星の自転軸に垂直に傾いていて、天王星の自転と同じ方向（順行）に回っている。

天王星は地球の15倍の重さで氷を主成分にした惑星だが、そこに地球質量の1～3倍の惑星が衝突すると、天王星を98度傾けることが可能である。その衝突の破片が再集積して衛星が形成するのが巨大衝突説である。一方で、天王星はその質量の10 %くらいの水素・ヘリウムのガスを纏（まと）っており、そのガスを取り込むときに一時的に形成されたガス円盤の中で氷が凝縮して衛星が集積するとする円盤説もある。巨大衝突説は地球の月形成、円盤説は木星のガリレオ衛星（ガリレオ・ガリレイによって発見された木星の4つの衛星）形成の標準モデルになっている。

巨大衝突説では、自然に98度傾いた軌道の衛星が形成される利点があるが、自身の10～20 %もの質量の原始惑星の巨大衝突では、地球の月の場合と同じように、本体の1 %程度の比較的大きな質量の衛星が形成可能な破片円盤が生まれる。ところが、天王星の衛星の総質量は天王星質量の0.01 %しかない。一方、円盤説では小さい衛星の形成が可能である。実際、木星のガリレオ衛星の総質量は木星質量の0.01 %で、その点は有利だが、98度傾いた順行軌道の衛星が作れない。

このように天王星の衛星たちがどのようにしてできたのかは大きな謎だった。

研究成果

研究チームは、天王星の主成分が氷であるため、衝突で作られるのは固体の破片円盤ではなく、完全に蒸発した水蒸気円盤であることに気づいた。この円盤は拡散して、広がりながら内側の水蒸気は天王星に落ち込んでいくが、水蒸気は熱がこもるので、その円盤で衛星の材料になる氷が再凝縮するには、円盤の半径が10倍も広がり、もとの円盤の99 %もの質量が天王星に落ち込まければならないことを精密な計算により発見した。

巨大衝突では惑星のすぐ近傍に円盤ができる。地球の月は重いので、地球のすぐそばで集積しても、その後の45億年で地球との重力相互作用でだんだん遠ざかっていくが、天王星の衛星は軽いのでほとんど遠ざからない。つまり、衝突直後の円盤から衛星ができると、実際の衛星軌道より遥かに内側の天王星半径の数倍のところに衛星ができることになるので、これも大きな謎だった（下図参照）。特に天王星では重い衛星が外側（天王星半径の15～25倍）に偏っている。

これに対し、研究チームは、円盤が薄く広がったあとに氷が再凝縮するので、氷の分布は現在の衛星軌道に一致することを発見した。円盤がある一定の薄さになったら氷が凝縮するので、最初にどのような蒸気円盤ができるのかにはあまり依存しないで、氷の分布が決まる。

予測した分布から微小氷天体群の衝突合体のコンピュータ・シミュレーションを行うと、実際の天王星衛星の分布に極めて近い衛星群ができることも示された。大蒸発の果てに残った1 %の物質から小さな衛星群が残るのである。

この理論モデルは、巨大衝突をもとにするのだが、地球の月形成とは全く異なる。地球は岩石を主成分とし、破片円盤は蒸発してもすぐに岩石は再凝縮し、月は最初の破片円盤の分布、つまり、どのような巨大衝突が起こるのかで決まる。しかし、氷衛星ではそうではなく、蒸発円盤がどのように冷えていって、どのように薄く広がるのかで決まることがわかった。これは地球型惑星や木星型惑星の衛星形成とは全く異なる、天王星のような氷惑星に対する全く新しい理論モデルで、海王星、太陽系外の氷を多く含むスーパーアース^[用語2]など、氷を主成分とする惑星に一般的に適用できる衛星形成の新たな標準モデルとなり得るのである。

論文情報

掲載誌 :	Nature Astronomy（ネイチャー・アストロノミー）
論文タイトル :	Uranian Satellite Formation by Evolution of a Water Vapor Disk Generated by a Giant Impact
著者 :	Shigeru Ida, Shoji Ueta, Takanori Sasaki and Yuya Ishizawa
DOI :	10.1038/s41550-020-1049-8

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• 理学院 地球惑星科学系
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要点

• 高分子電解質の「シャボン玉」を鋳型にしてスズ薄膜球を作成、レーザーを照射してEUV発生に成功
• EUV発生高効率化に不可欠な極低密度スズを信頼性高く、安価に合成
• 現在の13.5 nm光だけでなく、次世代の6.x nm光や他の量子線発生にも適用可能なレーザー用ターゲット

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の長井圭治准教授、クリストファー　マスグレイブ特任助教（現 ユニバーシティ　カレッジ ダブリン）、庄司俊太郎大学院生の研究グループは、高分子電解質^[用語1]を界面活性剤として用いたシャボン玉を鋳型として、レーザーの低密度ターゲットとなるスズ薄膜球を作成することに成功した。使用したスズの量は、シャボン玉１個あたり4.2 ナノグラムと少なく、原子数、サイズの制御性も高い。実際にレーザーを照射すると、金属スズと変わらない13.5 ナノメートル（nm）の極端紫外線の発光を確認できた。

高分子電解質の泡は、いわば極めて安定なシャボン玉であり、大量の製造に適している。今回開発した手法は、原理的にはスズだけでなく、他の元素にも適用できるため、レーザー式では開発が困難と考えられている6.x nmの光源や、がん治療などに用いられている炭素イオンビーム用のターゲットなどにも展開が可能である。

近年、高強度レーザー^[用語2]の開発が進む一方で、レーザーの標的（ターゲット）の開発が遅れており、特に極低密度で、大量製造が可能な、安価なターゲットが求められている。本手法はこれらの条件を満たすものであり、その発展が見込まれる。

本成果は2020年4月3日付の『Scientific Reports』電子版に掲載された。

背景

今世紀に入って、高強度レーザーの高出力化、高繰り返し化、低価格化が急速に進んでいる。こうした高強度レーザー技術を応用した量子線源の研究開発も盛んになり、EUでは大型レーザー施設の建設ラッシュが続いている。こうした高強度レーザーを集光して物質に照射すると、高温高密度状態を作ることが可能であり、この状態からは電子、イオン、X線などの量子線が高輝度に発生する。こうした方法は、レーザープラズマ方式と呼ばれる。レーザーのターゲットとしては、低密度材料の方が吸収の効率が良いため、軽石のように穴の多い多孔質材料がしばしば用いられる。

このような大型加速器のコンパクト化を目標とした研究開発の一方で、レーザープラズマ方式の初の社会実装として、これよりも出力が弱いレーザーを用いた、13.5 nmの光源による半導体集積回路の製造が始まった。13.5 nmという波長は、X線よりもやや長波長の極端紫外線（Extreme Ultraviolet）^[用語3]の範囲にあり、昨年のSamsungのEUVリソグラフィーへのレジスト供給の問題でも記憶に新しい。

現在実用化されているEUV光源では、液体金属スズにプレパルスを照射して低密度化させている。開発段階では、この低密度化のプロセスで確実性の問題が生じ、光源開発が大幅に遅れた経緯がある。また次世代の6.x nm光源で用いられるガドリニウムは、高融点で液体金属化が困難であり、大型加速器によるリソグラフィーが提案されている。

こうした背景から、研究グループでは長年にわたり、レーザーターゲット用の低密度材料を開発してきたが、その製造コストや大量生産性に課題があった。

研究成果

本研究では、シャボン玉という、容易かつ大量に製造できる低密度構造に着目した。シャボン玉の界面活性剤として高分子電解質を用いることで、安定性を向上させ、これを鋳型とすれば、レーザーターゲットとなる極低密度材料の大量生産を低コストで実現できることを示した。

このシャボン玉にスズナノ粒子を被覆して低密度スズ膜を形成させ、さらに重ね塗りしてスズの被覆量を増やした。こうして作成したスズ薄膜球を乾燥させたのちに、ネオジムヤグレーザーを照射した。その結果、最新の半導体リソグラフィーに用いられている13.5 nmの発光を確認することができ、発光量についても、金属スズにレーザーを照射した場合と同レベルを達成できた。

今後の展開

今回新たにシャボン玉を鋳型として作成された低密度スズ薄膜球のターゲットと、レーザーを組み合わせれば、コンパクトな13. 5 nmの光源ができる（ただし、リソグラフィーに用いるほどの高繰り返しには、デブリ除去などが技術的な課題である）。　さらに次世代の6.x nm光源の実現、さらに短い波長であるX線の高輝度化、がん治療用の炭素イオンビーム発生装置のコンパクト化も期待される。国内外の大型レーザー施設と共同研究も進めたい。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Easy-handling minimum mass laser target scaffold based on sub-millimeter air bubble ―An example of laser plasma extreme ultraviolet generation―
著者 :	Christopher S. A. Musgrave, Shuntaro Shoji, and Keiji Nagai
DOI :	10.1038/s41598-020-62858-3

• プレスリリース 高分子電解質のシャボン玉を使ってEUV（極端紫外線）発生に成功―コンパクトな量子線源となることを期待―
• 有機薄膜太陽電池を使った高活性光触媒の作成に成功｜東工大ニュース
• サイズアップで光触媒の性能向上｜東工大ニュース
• 長井研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 長井圭治 Keiji Nagai
• 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所
• 科学技術創成研究院（IIR）
• 物質理工学院 応用化学系
• 研究成果一覧

一般社団法人日本鉄鋼協会は1月21日、東京工業大学の加藤雅治名誉教授に2020年の学会賞（西山賞）を、また物質理工学院 材料系の中田伸生准教授に2020年の学術記念賞（西山記念賞）を授与すると発表しました。授賞式および記念講演は、3月17日、日本鉄鋼協会第179回春季講演大会で行われる予定でしたが、新型コロナウイルス感染症対策のため中止となりました。

日本鉄鋼協会は1915年に設立された鉄鋼に関する学会です。学会賞（西山賞）は「鉄鋼に関する学術，技術の研究に卓越した功績のあった会員」を、また、学術記念賞（西山記念賞）は「鉄鋼に関する学術、技術の研究に多大の功績のあった会員」を毎年、表彰しています。ともに西山彌太郎氏（1893－1966、元川崎製鉄株式会社社長）の功績を記念した表彰であり、賞状およびメダルが贈呈されます。

学会賞（西山賞）加藤雅治名誉教授の受賞題目

金属材料の組織と力学特性の基礎研究

学術記念賞（西山記念賞）中田伸生准教授の受賞題目

鉄鋼組織の内部応力に関する研究

今回の受賞について中田伸生准教授は次のようにコメントしています。

• 中田伸生研究室―研究室紹介 #10―｜物質理工学院 材料系
• 北野政明准教授、中田伸生准教授が平成28年度東工大挑戦的研究賞を受賞｜物質理工学院 材料系
• 中田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 加藤雅治 Masaharu Kato
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 中田伸生 Nobuo Nakada
• Nobuo Nakada 中田伸生｜Tokyo Tech World Research Hub Initiative（WRHI）
• 物質理工学院 材料系
• 表彰｜日本鉄鋼協会

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来の人類研究センター長でリベラルアーツ研究教育院の伊藤亜紗准教授が、2020年の第13回「（池田晶子記念）わたくし、つまりNobody賞」を受賞したと、賞を主催する特定非営利活動法人（NPO法人）「わたくし、つまりNobody」が1月31日、発表しました。表彰式と記念講演会は3月3日、出版クラブ（東京都千代田区）で行われ、記念メダル「メビウスの輪」と副賞100万円が伊藤准教授に贈られました。

「わたくし、つまりNobody」によると、この賞は、日本語による「哲学エッセイ」を確立し、2007年に亡くなった文筆家、池田晶子さんの意思と業績を記念し、2008年に創設されました。賞の趣旨は「ジャンルを問わず、ひたすら考えること、それを言葉で表わし、結果として新たな表現形式を獲得しようとする人間の営みに至上の価値を置くものです。考える日本語の美しさ、その表現者としての姿勢と可能性を顕彰し、応援してゆこうとするものです」と説明されています。

NPO法人の会員が推薦した候補者や、自薦の応募者から、会員の選考メンバーが賞にふさわしい人物を毎年1人、選びます。

伊藤准教授の受賞理由（NPO法人「わたくし、つまりNobody」による）

「体」という「内なる他者」と、どう向き合うか。

肥大する情報空間の中で身体性が希薄化していく現在、ますます重要度が高まる問いです。

伊藤亜紗氏が近年取り組んでいるのは、障害ゆえに自らの「体」と独自の関係を作り上げてきた人たちの「言葉」を手掛かりに、私たちが自明と思いなしている「自分」とは何か、「世界」とは何かを、根源から問い直す試みです。

未知なる世界認識の可能性に向けて、真摯な探究心とやわらかく開かれた文章で迫る伊藤氏のさらなる展開に期待し、当賞を贈ります。

伊藤准教授のコメント

賞の名前について

賞の名前について「わたくし、つまりNobody」は次のように説明しています。

• 池田晶子記念 わたくし、つまりNobody賞
• 言葉と体　伊藤亜紗｜web春秋 はるとあき
• 伊藤亜紗准教授が考える“本当の多様性”とは｜研究ストーリー｜研究
• 伊藤亜紗准教授 Webサイト
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 伊藤亜紗 Asa Ito
• 未来の人類研究センター
• 科学技術創成研究院
• 環境・社会理工学院 社会・人間科学系

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来の人類研究センター センター長でリベラルアーツ研究教育院の伊藤亜紗准教授が、4月25日にNHK Eテレで放送予定の対談番組『SWITCHインタビュー 達人達（たち）』に出演します。

伊藤准教授の対談相手は、若者にも大人気の落語家・柳家喬太郎さん。新作落語、古典落語のどちらも巧みに演じ、落語界きってのウルトラマン好きで知られる柳家喬太郎さんを、大岡山キャンパスに招きました。

『SWITCHインタビュー 達人達（たち）』は、異なる分野で活躍する2人の“達人”がクロストークを行う番組です。前半と後半でゲストとインタビュアーを「スイッチ（切り替え）」しながら、それぞれの仕事現場（こだわりの場所、ゆかりの地など）を訪問し、「仕事の極意」について語り合います。

伊藤准教授のコメント

番組情報

• 番組名
  NHK Eテレ『SWITCHインタビュー 達人達（たち）』
• タイトル
  落語家 柳家喬太郎 × 美学者・東京工業大学准教授 伊藤亜紗
• 放送予定日
  2020年4月25日（土）22:00 - 22:49
• 再放送予定日
  2020年5月2日（土）00:00 - 00:49（金曜深夜）

関連リンク

• SWITCHインタビュー 達人達（たち）｜NHK Eテレ
• 伊藤亜紗准教授が考える“本当の多様性”とは｜研究ストーリー
• 東工大リベラルアーツ初／発の研究組織「未来の人類研究センター」が発足｜東工大ニュース
• 伊藤亜紗HP
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 伊藤亜紗 Asa Ito
• 未来の人類研究センター
• リベラルアーツ研究教育院
• メディア出演情報一覧｜東工大ニュース

東京工業大学は3月13日、学校法人東邦大学と連携・協力推進にかかわる包括協定を締結しました。「医工連携」を進めるなど、大学間連携を強化する教育・研究や人材交流に取り組み、両大学の更なる発展と一層の社会貢献をめざします。

東工大大岡山キャンパスで開かれた包括協定調印式には益一哉東工大学長と高松研東邦大学長が出席し、包括協定に署名しました。両学長は、連携と協力の進め方について話し合いました。

本学と東邦大学は、教育・研究のそれぞれの分野において交流を重ね、更に両大学の「強み」を活かした連携を発展させることができないか意見交換を行ってまいりました。包括協定を締結することにより、以下のような効果が産まれることが期待されます。

東邦大学の医療センターは大森病院、大橋病院、佐倉病院を運営しています。東邦大学が、医療現場で生じたニーズを本学に提示し、本学が工学の観点でその解決策を示す医工連携を進めて、メディカルイノベーションの創出を目指します。

また、本学の理工系学生が東邦大学の医療センターにおいて、病院実習カリキュラムを行って医療現場を体験することにより、新たな発見や研究のヒントを得るといった教育効果が期待されます。

今後、この包括協定に基づき、連携・協力の施策について具体的な取組みを進めてまいります。

• 東邦大学

要点

• 空気過剰率を上げた超希薄燃焼ガソリンエンジンに筒内水噴射を適用
• ピストン上に低温水蒸気層を形成し、ノッキングと冷却損失を効果的に低減
• 乗用車用ガソリンエンジンとして世界最高水準の図示熱効率52.6 ％を達成

概要

東京工業大学 工学院 システム制御系の小酒英範教授、長澤剛助教、佐藤進准教授らは、慶應義塾大学の飯田訓正名誉教授、横森剛准教授らとともに、空気過剰率^[用語1]を2程度まで上げた超希薄燃焼ガソリンエンジンに筒内水噴射^[用語2]を適用し、これまで40 ％程度だった乗用車用エンジンの正味熱効率を51.5 ％、図示熱効率^[用語3]を52.6 ％に向上させることに成功した。

高い熱効率が期待される超希薄燃焼ガソリンエンジンだが、さらなる熱効率向上を目指すには高負荷領域におけるノッキング^[用語4]抑制と冷却損失^[用語5]低減が欠かせない。同グループは燃焼室内のピストン表面近くに水を噴射して低温水蒸気層を形成することにより、超希薄燃焼においても燃焼を悪化させることなくノッキング抑制と冷却損失低減を実現することを目指した。

各種の条件を最適化し、最終的には圧縮比^[用語6]を17まで上げることで乗用車用ガソリンエンジンとしては世界最高水準の熱効率を達成した。これらに加え、水噴霧の可視化と熱流束^[用語7]の計測により当初の狙い通りピストン表面近くに低温水蒸気層が形成されていることを示唆する結果を得た。

本研究成果は、英国機械学会の国際学術誌「International Journal of Engine Research」オンライン版に4月6日付で掲載された。

研究の背景

超希薄燃焼ガソリンエンジンでは低温燃焼による冷却損失の低下に伴って熱効率の大幅な向上が期待されるものの［参考文献1］、さらなる熱効率向上を目指す上では高負荷領域におけるノッキング抑制と冷却損失低減が欠かせない。ガソリンエンジンの効果的なノッキング抑制・冷却損失低減手法として、水噴射が以前より研究されている。これは水の蒸発によって筒内ガス温度を低下させ、ノッキングと冷却損失の低減を図るものであり、主に理論空燃比^[用語8]を対象として行われてきた。本研究では水噴射を超希薄燃焼に適用することで、熱効率のさらなる向上を図った。

本研究のアプローチ

従来の理論空燃比におけるガソリンエンジン水噴射の多くは水を吸気ポートより噴射する形式であり［参考文献2］、この場合、空気・燃料の混合気は比較的均一に冷却される。しかし混合気への水の均一添加によって燃焼速度は大きく低下するため、超希薄燃焼においては燃焼不安定性の増加が懸念される。

そこで本研究では図1に示すように、水を筒内に直接噴射し、点火プラグ近傍を避けてピストン表面付近に水蒸気を集中的に分布させる「層状水蒸気遮熱」を提案した。これにより超希薄燃焼でも燃焼を悪化させることなく水の冷却効果が得られ、またピストン近くの未燃領域で多く発生するノッキングとピストン表面から外部への大きな冷却損失を効果的に低減できると期待される。

研究成果

本研究では筒内水分布が熱効率向上の大きな鍵を握るため、石英ガラス製の可視化エンジンを用いて水噴射時期が水噴霧分布に与える影響を調査した。その結果、図2に示すように上死点^[用語9]前150°に水噴射した場合、水は時計回りの流れに乗って吸気側からピストン表面近くに輸送され、層状に分布する様子が確認された。

実機エンジン試験においても、圧縮行程前半（上死点前150°～120°）に水噴射することで燃焼安定性を保ちつつノック・冷却損失低減効果が得られ、熱効率が上昇することが確認できた。

また図3には、ピストン表面およびエンジンヘッドの熱流束計測から得られた水噴射による平均気体温度低下率と壁面熱流束低下率の関係を示したものである。これより同一の平均気体温度の低下に対して、ピストン側の熱流束低減割合はヘッド側より大きいことから、ピストン表面近くに水蒸気層が形成されて低温となる温度成層化^[用語10]が起きていることが示唆された。

以上の結果をもとに0.5 L（リットル）クラスの単気筒エンジンで、さらに水噴射条件および運転条件の最適化を行うことで熱効率の向上を図った。その結果を熱バランスの形で示したものが図4である。

圧縮比15、空気過剰率1.9にて水噴射を行うことにより、ノッキングと燃焼変動を抑えた状態でグロス図示熱効率（機械損失やポンプ損失を含まない効率）が48.7から50.2 %まで上昇した。ここで、さらに圧縮比を17まで増加させたところ、ノッキングと燃焼変動を十分低く抑えたうえで排気損失、未燃損失、冷却損失が低減されることにより、グロス図示熱効率は最大52.6% まで上昇した。

これは0.5 Lクラスのガソリンエンジンとしては世界最高水準の熱効率であり、次世代の超高熱効率ガソリンエンジンの1つの可能性を示したといえる。今後は水蒸気分布と熱流束の同時計測などによって熱効率向上の機構解明を進めるとともに、水噴射インジェクタの形状や設置位置を含めた最適化を行うことにより、さらなる熱効率の向上につながると期待される。

論文情報

掲載誌 :	International Journal of Engine Research
論文タイトル :	Thermal efficiency improvement of super-lean burn spark ignition engine by stratified water insulation on piston top surface
著者 :	Tsuyoshi Nagasawa, Yuichi Okura, Ryota Yamada, Susumu Sato, Hidenori Kosaka, Takeshi Yokomori, Norimasa Iida
DOI :	10.1177/1468087420908164

• 超希薄燃焼と水噴射でガソリンエンジン熱効率52 ％を達成 —温度成層化によるノッキング抑制と冷却損失低減効果—
• 小酒・佐藤研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 小酒 英範 Hidenori Kosaka
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 長澤 剛 Tsuyoshi Nagasawa
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 佐藤 進 Susumu Sato
• 工学院 システム制御系
• 研究成果一覧

要点

• 50 ℃未満で水素と窒素からアンモニアを合成できる触媒の開発に初めて成功
• 今回、開発した触媒は既存の触媒を凌駕する性能で、CO₂排出ゼロを実現
• 開発した触媒によって自然エネルギーからのアンモニア生産へ道が開かれた

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の原亨和教授、元素戦略研究センター長の細野秀雄栄誉教授らは、50 ℃未満の温度で水素と窒素からアンモニアを合成する新触媒の開発に成功した。この触媒は豊富なカルシウムに水素とフッ素が結合した物質「水素化フッ素化カルシウム（CaFH）^[用語1]」とルテニウム（Ru）ナノ粒子の複合材料「Ru/CaFH」で、室温で水素と窒素からアンモニアを合成できる。

原教授らはCaFHが低い温度で電子を与える力が強いことに着目し、その学理を低温でアンモニアを合成する触媒の開発に繋げた。アンモニア生産の大幅な効率化だけでなく、自然エネルギーを使った温室効果ガスのCO₂排出ゼロにつながることが期待される。

アンモニアは肥料として世界人口の70 %の命を支える人類に必須の化学物質で、水素と空気中の窒素から触媒を介して生産する。しかし原料の水素はメタンなどの化石資源から作られるため、CO₂排出は総排出量の3 %を越えている。

水から水素を作ればCO₂排出問題は解決するかのようにみえるが、従来の触媒で水素と窒素からアンモニアを合成するには400 ℃近くの高温が不可欠。従来のアンモニア生産を自然エネルギー発電と繋げても発電量の大半はアンモニア生産に費やされ、十分な水素を作れない。水素と窒素からのアンモニア合成の温度を大幅に下げる触媒の開発はCO₂排出ゼロのアンモニア生産への道を開く成果である。

本研究成果はネイチャーコミュニケーションズ（nature communications）オンライン速報版に4月24日に掲載された。

背景

アンモニア（NH₃）は触媒を介して水素（H₂）と空気中の窒素（N₂）から生産される化学物質であり、肥料として人口の70 %の生命を支えている。人類が最も多く生産する化学物質で、年間1億7千万トンに達する。このように、人類にとって重要なアンモニアだが、地球温暖化とともにその生産が大きな問題となっている。

それは、どこから水素を得るかということである。現在、アンモニアの原料となる水素は天然ガス、石炭、石油といった化石資源を燃やして生産している。その結果、膨大な量のCO₂が排出され、総排出量の3 %を越えている。人口が増え続ける限り、化石資源が枯渇するまで、アンモニア生産に伴うCO₂排出は増え続けることになる（図1）。

CO₂の排出なしに、アンモニアを生産する方法として、自然エネルギー発電の利用が考えられてきた（図2）。風力や太陽光発電によって水を電気分解すれば、CO₂排出なしにクリーンな水素を得られる。この水素を原料にすればCO₂排出なしに、そして化石資源の枯渇に怯えることなく、人類はアンモニアを手に入れることができる。

しかし、この手法には大きな問題がある。それは水素と窒素からアンモニアを合成する既存触媒は400 ℃程度の高温を必要とすることだ。電力で高温を生み出すには、かなりのエネルギーが必要になる。これは、自然エネルギーの発電量の大半を水素と窒素からのアンモニア生産に消費され、水の電気分解による水素生産に回せる電力が足りなくなるという本末転倒の結果になりかねない。自然エネルギー利用のアンモニア生産のシナリオを可能にするには、水素と窒素からアンモニアを合成する触媒の作動温度を大幅に低下させることが求められている。

研究成果

すなわち、従来のアプローチは、作動の起点を100～200 ℃とする傾きの異なる触媒を開発する取り組みで、傾きの大きな触媒が高性能な触媒とされてきた（図3赤線部分）。しかし、これでは高温での合成速度は速くなるが、低温での合成速度は速くはならず、大幅な低温化は実現できない。

本研究では、触媒の作動温度を50 ℃未満にスライドさせ、温度－アンモニア合成速度曲線自体を低温側に引き下げるアプローチを試みた（図3青線）。こうすれば、低温領域のアンモニア合成が著しく高くなるはずだが、これまで成功した事例はなかった。

上述のアプローチはこれまで試されたことがないため、何がこのアプローチに繋がるかは手探りの状態だった。原教授らは、まず低温で強く電子を与えることができる材料（電子供与材）の開発に着手した。アンモニア合成の最大の難関は窒素分子N₂の窒素原子にまで分解する過程である。窒素分子は強固な結合によって結ばれた2つの窒素原子から成る安定な分子。この分子を原子にまで分解するには鉄などの遷移金属から窒素分子へ電子を一時的に与える必要がある（図4）。

そこで、原教授らは大学の1年次で基礎として学ぶ古典的な学理を利用することにした。それはCa²⁺とより強い結合をつくる陰イオンを入れ、Ca²⁺—H–の結合エネルギーを弱めてしまうということである。Ca²⁺—F–の結合エネルギーはCa²⁺—H–のそれの2倍の強度をもつため、CaH₂のヒドリドイオンの一部をF–で置き換え、水素化フッ素化カルシウムCaFHをつくれば、そのヒドリドイオンは低温で水素分子として脱離し、低温で強い電子供与能を発揮するはずである（図5）。実際に合成したCaFHでは室温程度からヒドリドイオンが水素分子として抜けることが確認された。

なお、Ru/CaFHの活性化エネルギー^[用語2]は20 kJ mol^-1であり（表1）、これまで報告され現在のアンモニア生産にてできたアンモニア合成触媒の1/2程度にしか過ぎない。また、Ru/CaFHは安定な触媒であり、300 ℃を越える反応温度でも900時間以上アンモニア合成速度の低下なく、作動し続ける。

今後の展開

今回開発したRu/CaFHに2つの意味がある。

第一に、触媒の最低作動温度を引き下げるという新しいアプローチと、それを可能にする新たな触媒材料の開発によって300 ℃以下の低温領域のアンモニア合成触媒性能を著しく上げたこと。

第二に、100 ℃以下でも作動する触媒を生み出したこと。これまでの触媒は100 ℃以下では作動しない。従って、いかなる改良を施しても、100 ℃以下でアンモニアを合成することはできない。「0に何をかけても0にしかならない」からだ。一方、Ru/CaFHは室温程度でもアンモニアを合成できる。これまでの触媒がこれまでのアプローチによってその性能を向上してきたように、Ru/CaFH、あるいはその概念に基づく触媒の性能はまだまだ押し上がる余地が十分に残っている。

論文情報

掲載誌 :	nature communications
論文タイトル :	Solid solution for catalytic ammonia synthesis from nitrogen and hydrogen gases at 50 ℃
著者 :	Masashi Hattori, Shinya Iijima, Takuya Nakao, Hideo Hosono, Michikazu Hara
DOI :	10.1038/s41467-020-15868-8

資料

• プレスリリース 50 ℃で水素と窒素からアンモニアを合成する新触媒 ―「CO2排出ゼロ」のアンモニア生産へブレークスルー―
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• 硫黄化合物を低温・高効率で酸化する環境型触媒を開発│東工大ニュース
• 副産物ほぼゼロの特異構造のナノ粒子触媒による有用物合成│東工大ニュース
• 低温で高効率にアンモニアを合成できる触媒を開発│東工大ニュース
• 欲しいものだけを合成する新触媒 ―医農薬からバイオマスの高付加価値化まで―│東工大ニュース
• 新触媒で糖由来化合物から欲しいものだけを合成―バイオマス資源から有用化成品製造への応用に期待―│東工大ニュース
• 原・鎌田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 原 亨和 Michikazu Hara
• 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 物質理工学院 材料系
• 研究成果一覧

東京工業大学 理学院 物理学系の山崎詩郎助教が、5月6日放送予定のNHK Eテレ「又吉直樹のヘウレーカ！」に出演します。

山崎助教は、量子物性物理学の研究者である一方、世界コマ大戦の出場経験もある「コマ博士」としても活動しています。番組では、山崎助教の著書『独楽の科学』（講談社ブルーバックス）を足がかりに、お笑い芸人で作家の又吉直樹さんと一緒に、コマの奥深い魅力に迫ります。

「又吉直樹のヘウレーカ！」は、私たちの暮らしに潜むフシギを見つけ出しひも解く教養バラエティ番組です。

山崎助教のコメント

番組情報

• 番組名
  NHK Eテレ「又吉直樹のヘウレーカ！」
• テーマ
  世界はコマでできている！？
• 放送予定日
  2020年5月6日（水）22:00 - 22:45
• 再放送予定日
  2020年5月8日（金）0:00 - 0:45（木曜深夜）

関連リンク

• 又吉直樹のヘウレーカ！｜NHK Eテレ
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 山﨑詩郎 Shiro Yamazaki
• 理学院 物理学系
• メディア出演情報一覧｜東工大ニュース

公益社団法人石油学会は2月20日、東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の眞中雄一特定准教授に2019年度の石油学会奨励賞を授与すると発表しました。石油学会によると、奨励賞は「大学等に所属する若手の研究者で、石油、天然ガス及び石油化学に関連する分野において、独創的な業績を発表したもの」に授与されます。40歳未満の研究者が対象です。表彰式は5月25日、石油学会総会で行う予定でしたが、コロナウイルス感染症の情勢を踏まえ延期されました。

受賞テーマ

二酸化炭素とギ酸の効率的相互変換におけるイリジウム錯体触媒の開発

受賞のコメント

今回の受賞について眞中准教授は次のようにコメントしています。

受賞理由（石油学会のウェブサイトから）

眞中氏は、地球温暖化抑制に不可欠な二酸化炭素利用技術の開発に取り組み、特に二酸化炭素とギ酸の相互変換を可能とする高活性イリジウム錯体触媒の開発において優れた業績を挙げた。

二酸化炭素を炭素資源として利用し、効率的に有用基幹物質へと変換することが望まれているが、二酸化炭素は安定な分子であり、その変換には一般に高温、高圧等の厳しい反応条件が必要となることから、より温和な条件で高活性を示す触媒技術の開発が強く望まれている。眞中氏は、二酸化炭素を水素で還元する触媒の開発に取り組み、水溶性イリジウム錯体触媒を用いることで二酸化炭素からギ酸を高選択的に合成できることを見出した。さらに、配位子設計に基づく触媒の最適化を行い、アゾール系配位子を用いることで、既報の触媒系に比べてより温和な条件である常温、低水素圧下で高選択的かつ効率的にギ酸を得ることに成功した。また、当該触媒がギ酸合成の逆反応である二酸化炭素と水素への分解反応にも有効であることを示した。特に、これまでの配位子の官能基効果に加えて環員数を変えることで、触媒活性に大きく寄与する配位子のルイス塩基性を精密制御できることを見出し、これによりギ酸分解反応活性の大幅な向上を達成した。本触媒系では、副生成物である一酸化炭素の発生は見られず、極めて高い選択性を示している。これによって、ギ酸分解による水素発生では、従来困難であった外部動力なしに高圧水素を製造することにも成功している。これら一連のギ酸合成と分解を可能とする高活性イリジウム錯体触媒の開発により、本技術が水素社会の実現に不可欠なエネルギーキャリアへと展開できる可能性を示した。さらに同氏は、二酸化炭素利用技術のさらなる展開として、有用な合成中間体であるギ酸シリルエステルを二酸化炭素とケイ素工業の廃棄物であるシラン化合物から合成する新たな有機分子触媒の開発にも成功している。

以上のように、眞中氏は二酸化炭素とギ酸の相互変換技術において、高活性なイリジウム錯体触媒の開発により二酸化炭素の利用技術に新たな展望を与えており、本研究分野の発展に大きく貢献するものと期待される。

• 2019年度表彰受賞者一覧｜公益社団法人石油学会
• 廃水中のアンモニアを資源に変える触媒を発見｜東工大ニュース
• 二酸化炭素を資源に変える有機分子触媒を発見｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 眞中雄一 Yuichi Manaka
• 本倉・眞中研究室
• 物質理工学院 応用化学系

東京工業大学は、新型コロナウイルス感染症（以下、COVID-19）に起因した社会の深刻な影響を克服し、社会に貢献するために「社会再起動技術推進事業（Social Rebooting Technology Initiative）」を立ち上げました。その第一弾の活動として、本学が保有する特許131件を一定期間、無償で開放する「お役に立てれば（Hope to This Helps : HTH ）プロジェクト」を開始しました。

同プロジェクトは、東工大の研究者が発明した様々な分野で活用し得る最先端技術の特許131件を、無償で開放しCOVID-19に起因した社会の深刻な影響を克服し、社会のさらなる発展に貢献する事業に利用していただくものです。

今回対象とした特許は、COVID-19感染拡大以前に取得されたものであり、直接COVID-19対策のために開発されたものではありませんが、例えば、プラズマを活用した包装容器の殺菌技術、膨大なプレゼンテーション資料に対して利用者に検索結果を効率的に提供するe-ラーニング（遠隔学習システム）技術、要介護者及び介護者を支援するためのロボット技術などを含んでいます。企業や個人の創造的な視点を加え、これらをオープンイノベーションで活用することにより、COVID-19対策に寄与する事業化の加速や新たな活用方法を通じ、社会の再起動への貢献を目指すものです。

COVID-19の感染拡大は、人々の生命を脅かし、さらには、広く産業界・経済界にも大変深刻な影響を与えています。また、COVID-19の影響は長期化が予想されているため、特許を利用される事業は、今後の回復直後やその過程においても有効性が期待できるものや、現在以上の社会的発展に貢献するものが多くあると考えられます。本学は、特許の無償開放により、COVID-19後の関連事業の基礎を提供し、幅広い分野で社会の再起動に貢献します。

社会再起動技術推進事業においては、今後、第二、第三のプロジェクトを立ち上げ、COVID-19による社会への影響の克服に役立つ活動を持続的に展開していきます。

COVID-19関連事業に対する特許の無償開放の概要

• 申込期間：
  2020年5月1日 - 2021年2月28日まで
• 申請方法：
  特許実施許諾申込書の提出（用紙等は以下ウェブサイト参照）
  ※審査の結果、ご要望に沿えない場合もございます。
• 無償期間：
  最長で2022年12月31日まで
• 対象（者）：
  個人または法人
• 費用：
  無償

• プレスリリース 東工大保有の131件の特許を無償開放 ―COVID-19による深刻な影響を克服し、社会再起動に向けた事業を支援―
• 「お役に立てればプロジェクト」のお知らせ ―COVID-19関連事業特許の無償開放プロジェクトのご紹介―｜社会再起動技術推進事業｜研究・産学連携本部
• 「社会再起動技術推進事業」を開始｜研究・産学連携本部

ポイント

• 実用透明電極^※1材料である酸化スズ^※2薄膜で本系における過去最高の移動度^※3を達成し、その値がほぼ理論上限値である事を示しました。
• 成長方位が移動度に大きな影響を与えている事を初めて明らかにしました。
• 赤外光を利用する次世代太陽電池の変換効率向上に寄与すると期待されます。

概要

酸化スズは透明電極として半世紀以上実用に使われている酸化物半導体です。しかしながら、その移動度は10〜40 cm²V^-1s^-1と物質本来の値より遥かに低い値しか報告されていませんでした。今回、東京大学大学院理学系研究科化学専攻の長谷川哲也教授、廣瀬靖准教授、中尾祥一郎特任研究員（研究当時）、福本通孝大学院生らの研究グループは、東京工業大学科学技術創成研究院フロンティア材料研究所の重松圭助教、神奈川県立産業技術総合研究所（旧公益財団法人神奈川科学技術アカデミー）、東京都立産業技術研究センターと共同で、高品質な酸化スズ単結晶薄膜を系統的に合成しました。その結果、成長方位が移動度に大きな影響を与えている事を明らかにし、本系における過去最高の移動度130 cm²V^-1s^-1を達成する事に成功しました。更にこの値が、物質本来の上限値である事を示しました。一般的な透明電極は可視光を透過する一方で赤外線は反射してしまいますが、高移動度化によって赤外線に対しても透明な電極を作製出来る事が知られています。今回の発見は赤外光を利用する次世代太陽電池の変換効率向上に寄与すると期待されます。

背景

酸化スズはガスセンサーや透明電極として半世紀以上実用に使われている代表的な酸化物半導体です。特に透明電極としてはガラス基板上の多結晶薄膜として大量生産され、薄膜シリコン太陽電池などに使用されています。しかしながら、これらの実用薄膜の移動度（以下、移動度は全て室温の値）は10〜40 cm²V^-1s^-1程度と低い値となっています。更に基礎研究における高品質な単結晶薄膜においても移動度の報告例は100 cm²V^-1s^-1程度に限られていました（図1、灰および黒シンボル）。その一方、バルク単結晶における移動度の最大値は260 cm²V^-1s^-1であり（図1、青シンボル）、薄膜では材料本来のポテンシャルが発揮されていない状況でした。

図1.

酸化スズの室温における移動度の比較。バルク単結晶（青シンボル）における報告例は最高で260 cm²V^-1s^-1に達する一方、薄膜における報告例（灰および黒シンボル）は100 cm²V^-1s^-1程度に限られている。本研究で作製した（001）配向薄膜（赤シンボル）は最高値130 cm²V^-1s^-1を示し、酸化スズ薄膜の中では過去最高の移動度を誇る。この値は、格子振動（黒破線）およびドーパントによるイオン化不純物（黒実線）という原理的に減らすことが不可能な因子を考慮した移動度の理論上限（緑実線）と電子濃度1×10²⁰ cm^-3以上でよく一致する。

今回、パルスレーザー蒸着法^※4で二酸化チタン（001）単結晶基板^※5上に高品質な（001）配向の酸化スズ単結晶薄膜を作製し、その移動度を調べました。透明電極としては電子濃度も重要ですが、ドーパント^※6としてタンタルを添加し電子濃度を系統的に変化させました。得られた薄膜の移動度（図1、赤シンボル）は電子濃度の上昇と共に急速に上昇し、電子濃度〜1×10²⁰ cm^-3において、最高値130 cm²V^-1s^-1を示しました。この移動度は過去の酸化スズ薄膜の報告例（図1、灰および黒シンボル）の中では最高の値であり、同程度の電子濃度のバルク単結晶にも比肩するものです。移動度を決める因子として格子振動、イオン化不純物、転位、粒界、中性不純物などが知られています。この中でも格子振動とドーパント由来のイオン化不純物による散乱は原理的に減らす事が出来ない因子であり、移動度の上限を決めます。この移動度の上限の計算値（図1、緑線）は、実験値の高電子濃度側（電子濃度1×10²⁰ cm^-3以上）でよく一致し、今回作製した酸化スズ薄膜が高電子濃度側で移動度の理論上限に到達している事が分かりました。すなわち薄膜でも材料本来のポテンシャルを最大限に引き出す事が可能である事を実証しました。

酸化スズ単結晶薄膜における移動度の抑制因子はこれまで不明でした。今回、（001）配向の薄膜において理論上限の高移動度が得られた事から、次のようなモデルを考案しました。酸化スズは単結晶基板と薄膜との格子不整合^※7から{101}面欠陥^※8が生成する事が知られています。この面欠陥が基板界面から薄膜表面まで伝搬し、粒界散乱として働いている可能性が（101）配向の薄膜の過去の研究において指摘されています。本研究で作製した（001）配向では{101}面欠陥が最も浅い角度（34°）で生成する事から、その伝播を抑制する事が期待出来ます。実際に透過型電子顕微鏡で観察すると、面欠陥は予想通り成長初期（基板界面から30 nm程度）で消失していました（図2）。更に、さまざまな種類の単結晶基板上でさまざまな方位の酸化スズ薄膜を合成しました（図3）。その結果、移動度は基板種類によらず成長方位によってほぼ決まっている事、また移動度は（001）、（101）、（110）、（100）配向の順番に低下する事が分かりました。この順番は{101}面欠陥が成長面となす角が増加する順番でもあり、{101}面欠陥が移動度を支配している事を強く示唆するものです。このモデルの検証にはさらなる薄膜構造の詳細な研究が必要ですが、少なくとも（001）配向が高移動度化に有利である事は実験的に明確になりました。

図3.

さまざまな種類（赤：二酸化チタン基板、青：サファイア基板）および面方位の基板の上に作製した酸化スズ薄膜の移動度の膜厚依存性。酸化スズ薄膜の移動度は基板の種類にあまり依存せず、薄膜の面方位（図中に表示）に強く依存する。移動度は（001）、（101）、（110）、（100）配向の順番に低下するが、これは{101}面欠陥と成長面のなす角度の順番（図2（a））と対応し、{101}面欠陥が移動度に支配的な影響を与えている事を強く示唆する。

今回の研究は酸化スズ薄膜の作製に高価な単結晶基板を用いているため、そのままでは実用に用いる事は困難です。しかしながら、薄い結晶性に優れた層（シード層）を最初に堆積する事で安価なガラス基板上でも単結晶基板上と同等の特性が得られる事が分かっています。現在はガラス基板上において（100）および（110）配向が実現していますが、（001）配向を可能にするシード層を開発する事が今後の実用化への道筋となります。

現在、太陽電池の開発の一つの大きな流れは近赤外光の有効利用です。その際、透明電極にも赤外の透明性が要求されます。赤外透明性は低電子濃度化および高移動度化によってのみ実現可能であり、今回の発見は近赤外光を利用する次世代太陽電池の変換効率向上に寄与すると期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	High mobility approaching the intrinsic limit in Ta-doped SnO2 films epitaxially grown on TiO2 (001) substrates
著者 :	Michitaka Fukumoto, Shoichiro Nakao*, Kei Shigematsu, Daisuke Ogawa, Kazuo Morikawa, Yasushi Hirose, and Tetsuya Hasegawa*
DOI :	10.1038/s41598-020-63800-3

発表者

• 福本通孝（東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 博士課程3年生）
• 中尾祥一郎 （東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻　特任研究員／地方独立行政法人 神奈川県立産業技術総合研究所（旧公益財団法人神奈川科学技術アカデミー）常勤研究員（研究当時））
• 廣瀬靖（東京大学 大学院理学系研究科化学専攻 准教授）
• 長谷川哲也（東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻　教授）
• 森河和雄（地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター 主任研究員（研究当時））
• 小川大輔（地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター 副主任研究員)
• 重松圭（東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所 助教）

• プレスリリース 方位が重要：最高の実用透明電極の作り方
• 超高圧で合成される機能性酸化物の薄膜化に成功｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 重松圭 Kei Shigematsu
• 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 物質理工学院 材料系
• 東京大学
• 東京都立産業技術研究センター
• 研究成果一覧

要点

• 本研究グループの世界をリードする超高圧高温発生技術と、大型放射光施設SPring-8の世界最高性能の放射光X線を用いて、100万気圧4,000度という極限条件下で液体鉄の密度の精密測定に世界で初めて成功しました。
• 今回得られた液体鉄の密度は、地球の外核（液体金属コア）の密度と比べると約8 %大きいことがわかりました。このことは、外核が純鉄ではないこと、従来有力な不純物とされてきた酸素ではこの密度差が説明できない（水素など別の軽元素が含まれている）ことを意味しています。これは、地球科学で第一級の問題とされてきたコアの化学組成の見積もりに向けた重要な一歩です（コアの化学組成は地球誕生の謎を解く重要な鍵）。
• 今回、X線回折データから液体の密度を精密に決定する汎用的な方法を開発しました。今後はこれを用いた密度決定により、外核の化学組成のさらなる制約、マントル中のマグマの移動・集積などを明らかにしていきたいと考えています。

概要

東京工業大学地球生命研究所所長で東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻の廣瀬敬教授らの研究チームは、東京大学の桑山靖弘特任助教、熊本大学の中島陽一助教らを中心に、大型放射光施設SPring-8^[用語1]（以下SPring-8）を利用して、地球の液体金属コア^[用語2]の主成分である液体鉄の密度を、100万気圧4,000度という、コアの環境とほぼ同じ超高圧高温の極限条件下で決定することに成功しました。

地球の中心には固体金属の内核、その外側の液体金属の外核があり、ともに超高圧高温下にあります。従来より、液体鉄の密度は観測される外核のそれよりもおよそ10 %大きいとされてきました。しかし、過去に高圧下で行われた液体鉄の測定は衝撃圧縮実験^[用語3]によるものであり、誤差が大きいとされてきました。

外核の密度が液体鉄よりもかなり小さいということは、外核には鉄に加えて軽い元素（水素や酸素など）が大量に含まれていることを意味しています。この軽元素の種類や量を特定することにより、地球の成り立ち、具体的には地球を作った材料物質や、コアがマントルから分離した時の状態を知ることができます。しかしそれには、純鉄との密度差を正確に理解する必要がありました。

本研究チームは、レーザー加熱式ダイヤモンドセル^[用語5]を使った、静的圧縮実験^[用語4]による超高圧高温実験により、地球深部の解明に大きな貢献をしてきました。今回、その開発をさらに進め、SPring-8のビームラインBL10XUにおいて高強度X線集光に取り組むことにより、超高圧高温下における液体鉄のX線回折データを測定しました。また、これまでとは全く異なるアプローチの分析手法を開発することにより、超高圧下における液体鉄の密度の精密決定に成功しました。さらに、ビームラインBL43LXUにおけるX線非弾性測定結果と合わせることにより液体金属コアの全領域にわたる温度圧力条件での液体鉄の密度を明らかにしました。

今回得られた超高圧下の液体鉄の密度は、地球の外核の密度に比べて約8 %大きいことがわかりました。内核の密度のことまで考えると、従来有力な不純物とされてきた酸素ではこの密度差を説明することができないため、水素など他の軽元素の存在^[注]が示唆されます。これは、地球科学で第一級の問題とされてきたコアの化学組成の見積もりに向けた大きな一歩になります。

本研究成果は、日本時間4月23日（木）に米国物理学会誌『Physical Review Letters』に掲載されました。また、『Physical Review Letters』誌において、特に注目すべき論文（PRLエディターズ・サジェスチョン）として紹介されました。

背景

地球の液体コア（外核）の主成分は鉄であり、またその密度が純粋な鉄の密度よりもかなり小さいことから、軽い元素が大量に含まれているとされてきました。コアは、地球全体の質量の1/3を占める（外核はコア全体の95 %）ことから、その化学組成を特定することは極めて重要です。それによって初めて地球全体の化学組成が明らかになり、地球を作った材料や形成プロセスを理解することができます。コアの軽元素（不純物）を特定するには、まず鉄自体の密度を正確に知る必要があります。

しかしながら、地表から2,900 km下にある外核は135万気圧4,000度以上の超高圧高温下にあります。圧力が上昇すると鉄の融点も上昇するため、このような超高圧下で液体鉄の密度を調べる実験は、一瞬だけ高圧高温を発生する衝撃圧縮実験を除いて、不可能でした。また、圧力と温度をより正確に制御できる静的圧縮実験においては、液体からのX線回折シグナルを用いて液体の密度を高圧下で測定しようと試みられてきました。しかし、液体試料からのX線回折強度は固体試料に比較して極めて弱く、高圧下で十分な強度が得られないことが大きな問題とされてきました。さらに、液体の密度や構造を精密に決定するためには、現実的には不可能なほど広いX線散乱角度範囲にわたってデータを取得することが必要と従来考えられていました。これらの理由から、高圧下で液体金属鉄の密度は精密に測定されたことがありませんでした。

研究成果

本研究チームは、過去20年にわたり開発改良を続けてきたレーザー加熱式ダイヤモンドセルの開発をさらに進め、これまで1秒ほどしか維持できなかった100万気圧という超高圧下での鉄の溶融状態を、10秒から100秒の長時間安定して保持することに成功しました。この技術革新は、日本が誇る精密加工技術の賜物と言えます。さらに、SPring-8の高強度X線の高集光化に取り組み、液体からの弱いシグナルを観測可能にしました。また、実験データの解析手法についても、限られたX線散乱角度範囲のデータからでも密度を求めることのできる従来とは全く異なるアプローチの解析手法を見いだし、高圧下の液体金属の密度を精密に決定することができるようになりました。

地球の外核の密度は、地震波の観測データより見積もられています。今回得られたコアの超高圧高温条件下での液体鉄の密度は、外核の密度より約8 %大きいということが分かりました。このことは、外核がわずかなニッケルの他に多くの軽い不純物（軽元素）を含んでいることを意味します。さらに、従来有力な不純物とされてきた酸素ではこの密度差が説明できず、水素など他の軽元素が大量に含まれている可能性があることが分かりました。これは、地球科学で第一級の問題とされてきたコアの化学組成の見積もりに向けた大きな一歩です。

今後の展開

コアの化学組成を解明することは、地球がどのような原材料物質からどのようなプロセスで出来たのかを知る上での重要な鍵となります。今後、さまざまな液体鉄合金の密度を決定し、コアの化学組成を解明することにより、地球誕生の謎も明らかになっていくものと期待されます。

さらに、マントル最深部でも局所的に岩石が溶融しマグマ（液体）が存在していると考えられています。また初期の地球はマグマオーシャンに覆われていたとされます。液体は流動性と化学反応性に富むため、マントル内でのマグマの移動・集積を理解することはマントルの化学進化や化学組成異常の分布を解明する上で非常に重要です。レーザー加熱ダイヤモンドセルを用いて超高圧下の液体の密度や構造を決定するという試みは、世界中で30年以上にわたり取り組まれてきましたが、これまで成功していませんでした。本研究における技術革新により、今後高圧下での液体の研究が飛躍的に進み、外核やマントル深部のマグマについての理解が大きく進むと考えられます。

論文情報

掲載誌 :	Physical Review Letters
論文タイトル :	Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions
著者 :	Yasuhiro Kuwayama*, Guillaume Morard, Yoichi Nakajima*, Kei Hirose*, Alfred Q. R. Baron, Saori I. Kawaguchi, Taku Tsuchiya, Daisuke Ishikawa, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi *Corresponding author
DOI :	10.1103/physrevlett.124.165701

• プレスリリース 100万気圧4000度の極限条件下で液体鉄の密度の精密測定に成功 〜地球コアの化学組成推定に向けた大きな一歩〜
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• 地球生命研究所（ELSI）
• 理学院 地球惑星科学系
• 研究成果一覧

要点

• ニュートリノ振動現象において粒子と反粒子の対称性の破れの大きさを決める量であるCP位相角に大幅な制限を与えることに世界で初めて成功
• ニュートリノに、粒子と反粒子の性質の違いがあるかどうかの問題に大きく迫る成果であり、今後の測定精度を高めた検証が期待される

概要

理学院物理学系の久世正弘教授の参加するT2K実験国際共同研究グループは、ニュートリノが空間を伝わるうちに別の種類のニュートリノに変化するニュートリノ振動という現象において「粒子と反粒子の振る舞いの違い」の大きさを決める量に、これまでで最も強い制限を与えることに成功しました。CP位相角と呼ばれるこの量は、ニュートリノの基本的性質を示す量の一つであり、理論的には-180度から180度の値を取り得ますが、これまで全く値がわかっていませんでした。今回の結果では、CP位相角の取り得る値の範囲の半分近くを99.7 %（3シグマ）の信頼度で排除することに成功しました（図1）。ニュートリノについての未解明の問題の一つである、粒子と反粒子が異なる振る舞いをするかどうかという問題に大きく迫る成果です。

この研究成果は、総合学術雑誌「ネイチャー」に4月16日掲載しました。
東工大の久世研究室は、約500名の研究者からなるT2K国際共同実験の遂行に大きく貢献しています。研究室の学生も携わっており、吉田朋世さん（研究当時・理学院物理学系博士後期課程3年）は、スーパーカミオカンデのデータからT2Kニュートリノ反応事象を選別する責任者を務めました。ベルンス・ルカスさん（理学院物理学系博士後期課程2年）はJ-PARC加速器で生成されるニュートリノビームの分布を精密に計算するチームの中核として活躍しています。

背景

物質を構成する素粒子には、電荷の正負が反対であるほかは全く同じ性質を持つ反粒子^[用語1]が存在します。宇宙の始まりであるビッグバンでは、粒子と反粒子が同じ数だけ生成されたはずですが、我々の身の回りには粒子で構成された物質しか見当たりません。このように、現在の宇宙において物質と反物質の対称性は大きく破れています。宇宙に反物質が存在しないようになるためには、CP対称性^[用語2]と呼ばれる電荷と空間に関わる基本的な対称性が破れている必要があります。CP対称性が成り立っていると、鏡の向こう側とこちら側の世界のように粒子と反粒子は同じように振る舞います。これまで、CP対称性の破れは陽子や中性子の構成要素であるクォークと呼ばれる素粒子で見つかっていましたが、その破れの大きさは現在の宇宙の物質の量を説明するには不十分です。そこで、電子の仲間であるニュートリノ^[用語3]のCP対称性が大きく破れていることで宇宙の成り立ちの起源を説明できるという有力な仮説が提案され、ニュートリノのCP対称性の破れの測定が注目されています。T2K実験^[用語4]は、ニュートリノと反ニュートリノのニュートリノ振動^[用語5]現象を測定して、それらを比較することで、クォークで見つかったものとは別のCP対称性の破れを探索しています。

T2K実験は2009年度に実験を開始し、2013年にミュー型ニュートリノがニュートリノ振動によって電子型ニュートリノに変化する「電子型ニュートリノ出現現象」の存在を世界で初めて発見しました。2014年からは反ミュー型ニュートリノの測定を開始し、CP対称性の破れの検証を開始しました。2016年夏には、90 %の信頼度でCP対称性が破れている可能性を示しました。2018年夏には、その可能性を95 %（2シグマ）の信頼度に高めた結果をKEKで行ったセミナーで公表しました。T2K実験では、CP対称性の破れの探索とともに、CP位相角^[用語6]と呼ばれる量の測定を行っています。CP位相角は、ニュートリノの基本的な性質の一つで、ニュートリノが粒子と反粒子とで異なる振る舞いをするかどうかもこの値に拠りますが、これまでその値は全くわかっていませんでした。今回、T2K実験では2018年までに取得した実験データを用いて解析を進め、CP位相角を大きく制限する結果を総合学術雑誌「ネイチャー」で公表しました。

研究成果

T2K実験では、茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設J-PARCで大量のミュー型ニュートリノまたは反ミュー型ニュートリノを生成し、295キロメートル離れた岐阜県飛騨市神岡にあるスーパーカミオカンデ検出器で測定しています。ニュートリノの一部は、295キロメートルを飛行する間にニュートリノ振動現象によりミュー型から電子型に変化します。

ニュートリノ振動現象においてCP対称性が破れていると、ミュー型から電子型への変化確率に、ニュートリノと反ニュートリノで違いが生じます。破れの大きさを決める量はCP位相角と呼ばれ、-180度から180度の値を取り得ます。0度と180度であった場合はCP対称性が保存していることに、それ以外の角度であった場合にはCP対称性が破れていることになります。CP位相角が-90度の場合には、電子型ニュートリノへの変化確率が最大に、反電子型ニュートリノへの変化確率が最小になります。90度ではその逆です。

2018年までにT2K実験が取得したデータから、電子型のニュートリノが90個、反ニュートリノが15個観測されました。図2はスーパーカミオカンデで検出された電子型のニュートリノと反ニュートリノの例です。実際の測定では、測定器が物質でできていることなどから、ニュートリノの方が反ニュートリノよりも観測されやすいため、観測数から振動の確率を注意深く決める必要があります。観測された結果は、CP位相角が-90度である場合に予想される観測数（ニュートリノで82個、反ニュートリノで17個）に近く、CP位相角が90度の場合の予想観測数（ニュートリノで56個、反ニュートリノで22個）とは大きく異なりました（図3）。今回、CP位相角の値を推定するために必要な統計的手法を更新し、CP位相角の値として、-2度から165度の領域が99.7 %の信頼度で排除されることがわかりました。

本研究の意義、今後への期待

CP位相角は、小林-益川によってクォークにおけるCP対称性の破れを説明するために導入されたものです。素粒子の基本的な性質ですが、電子やニュートリノの仲間であるレプトンについては、その値は、全く未知でした。本研究により、世界で初めてニュートリノのCP位相角に強い制限がつけられました。また、得られた結果はCP対称性の破れを95 %の信頼度で示唆しています。さらに測定を続けることでCP位相角の取り得る範囲から0度と180度を99.7 %の信頼度で排除できると、CP対称性の破れを99.7 %の信頼度で示すことができます。今回の成果は、その目標にたどり着くための重要なステップとなりました。ニュートリノの未解明の性質のうちの一つであるCP位相角、そしてCP対称性が破れているか否かが明らかになりつつあると言えます。

T2K実験グループは、前置検出器を改良して測定精度を高めるとともに、さらにデータを蓄積することで、CP対称性の破れの検証を進めていきます。J-PARCでは、より大強度のニュートリノを生成するために、加速器およびニュートリノ実験施設の性能向上に着手しています。さらに次世代の実験として、スーパーカミオカンデの約10倍の有効体積を持つハイパーカミオカンデ実験が計画されています。ハイパーカミオカンデ実験では、増強されたJ-PARCニュートリノビームを測定することにより、CP対称性の破れの決定的証拠を捉えるとともにCP位相角の精密な測定が可能となります。これらの研究によって、素粒子の性質や、宇宙から反物質が消えた謎の理解が進むことが期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Nature Vol.580, pp.339-344, on April 16, 2020
論文タイトル :	Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations
著者 :	K.Abe et al. (T2K Collaboration)
DOI :	10.1038/s41586-020-2177-0

• 久世研究室 ―研究室紹介 #8―｜物理学系
• 久世研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 久世正弘 Masahiro Kuze
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• 研究成果一覧

要点

• 医薬品候補として重要な「N－メチル化ペプチド」の高効率合成法を開発
• 安価な反応剤で生成した高活性中間体でN－メチルアミノ酸の低反応性補完
• 既存の手法と比べより短時間・高収率でN－メチル化ペプチド合成を達成

概要

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の小竹佑磨大学院生（研究当時）、物質理工学院 応用化学系の川内進准教授（同）、科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の中村浩之教授、布施新一郎特定教授（研究当時 准教授、現 名古屋大学教授）らの研究グループは、医薬品候補として重要なN－メチル化ペプチド^[用語1]の新たな高効率合成法の開発に成功した。N－メチル化ペプチドを基盤とする医薬品開発の加速、低コスト生産につながる成果といえる。

同研究グループは安価な反応剤を用いて、高活性な中間体を生じさせることによりN－メチルアミノ酸^[用語2]の反応性の低さを補完することに成功した。この開発手法を既存の手法と比較したところ、より短時間、高収率でN－メチル化ペプチドが得られることがわかった。また、開発した手法はマイクロフロー合成法^[用語3]や固相合成法^[用語4]と組み合わせて実施することができる。

N－メチル化ペプチドは代謝安定性や標的への親和性・選択性、さらに膜透過性が通常のペプチドより高まるとされるため、医薬品候補として重要だが、これまでは反応性の低いN－メチルアミノ酸の連結は高価な反応剤を大量に用い、長時間反応を実施しても低収率となることが珍しくなかった。

研究成果は4月9日に国際的学術誌「Angewandte Chemie International Edition（アンゲヴァンテ・ケミー・インターナショナル・エディション）」に掲載された。

研究成果

布施特定教授らの研究グループは安価な反応剤を用いて高活性な中間体を生成し、これをN－メチルアミノ酸との連結に用いることで反応性の低さを補完、短時間でも高収率でN－メチル化ペプチドを合成することに成功した。

多数のN－メチルアミノ酸を含むテトラペプチド^[用語5]の合成において、開発した合成手法とN－メチル化ペプチド合成に有効とされる複数の既存の合成手法を比較した。既存の手法は反応時間24時間で収率が0～47 %だったが、今回の開発手法は反応時間2時間で収率は98 %に達した。

開発した合成手法は通常のフラスコを用いて実施できるだけでなく、マイクロフロー合成法と組み合わせて実施することで、さらに収率が高まる。さらに、固相合成法への適用も可能であることを確認している。

研究の背景

N－メチル化ペプチドは代謝安定性や標的への親和性・選択性、さらに膜透過性が通常のペプチドより高まるとされるため医薬品候補として重要である。だが、反応性の低いN－メチルアミノ酸の連結は高価な反応剤を大量に用い、長時間反応を実施しても低収率となることが珍しくない。この問題が、N－メチル化ペプチドを基盤とする医薬品開発、低コスト生産の障害となっており、世界中の企業や大学においてこの問題を解決するための研究開発が進められている。

研究の経緯

布施特定教授らはこれまでマイクロフロー合成法を駆使した、安価で高活性な反応剤を用いるペプチド合成法の開発に過去10年ほどにわたって取り組んできた。今回の研究ではN－メチルアミノ酸の反応性の低さをいかに補完するかという点が反応開発のポイントになったが、通常は反応を阻害するリスクが高いとされる酸を添加することによりペプチド結合形成反応^[用語6]を加速させられることがわかり、これがブレイクスルーとなった。

今後の展開

この手法は安価で入手容易な反応剤を用いているにも関わらず既存の反応剤と比較しても高成績を与える。また、固相・液相どちらの合成法にも対応でき、さらに、マイクロフロー合成法と組み合わせて実施できる。マイクロフロー合成法は連続・並列運転により容易にスケールアップが可能であるため、産業への展開も十分期待できる。

既に特許を出願しており、現在、産業利用を目指した研究を推進している。今後のさらなる研究開発により、N－メチル化ペプチドを基盤とする医薬品開発加速、低コスト生産につながると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	N-Methylated Peptide Synthesis via Acyl N-Methylimidazolium Cation Generation Accelerated by a Brønsted Acid
著者 :	Yuma Otake1,2, Yusuke Shibata3, Yoshihiro Hayashi3, Susumu Kawauchi3, Hiroyuki Nakamura1 and Shinichiro Fuse.4,*
所属 :	1 Laboratory for Chemistry and Life Science, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, Yokohama 226-8503, Japan 2 School of Life Science and Technology, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, Yokohama 226-8503, Japan 3 School of Materials and Chemical Technology, Tokyo Institute of Technology, 2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552, Japan 4 Department of Basic Medicinal Sciences, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8601, Japan
DOI :	10.1002/anie.202002106

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• 布施研究室 - 名古屋大学創薬科学研究科 基盤創薬学専攻プロセス化学分野
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所
• 東京工業大学 科学技術創成研究院（IIR）
• 生命理工学院 生命理工学系
• 物質理工学院 応用化学系
• 名古屋大学大学院 創薬科学研究科 基盤創薬学専攻
• 研究成果一覧

東京工業大学は科学技術創成研究院の鈴木啓介特命教授（3月31日まで理学院教授）に栄誉教授の称号を授与することを決め、3月31日、大岡山キャンパスで、益一哉学長が栄誉教授の称号記を鈴木特命教授に贈りました。

栄誉教授の称号は、本学教授、退職者、卒業・修了生のうち、ノーベル賞や文化勲章、文化功労者、日本学士院賞など教育研究活動の功績をたたえる賞もしくは顕彰を受けた者に対して授与されるものです。

鈴木特命教授は、生理活性天然有機化合物の全合成、および、基礎的な合成反応の開発研究を行いました。自然界の生理活性化合物の中には、入手源などの制約から稀少なものもあります。その場合、有機合成による供給が期待されますが、複雑な構造を持つ化合物の場合には容易ではありません。鈴木特命教授は、従来困難であった多くの不斉中心や官能基を持つ化合物の合成を、新たな合成反応の開発や合成経路の設計により実現してきました。反応開発では高反応性化学種を活用し、斬新で有用な分子構築法や立体制御法の開発につなげた一方、合成研究では糖質やテルペン、ポリケチドなどの生合成の異なる構造が複合化した標的に関し、数々の全合成を実現しました。

これらの業績により、鈴木特命教授は、2010年に紫綬褒章、2015年に日本学士院賞を受賞するとともに、2016年に日本化学会名誉会員、2018年には日本学士院会員にも選出されています。

今回、これまでの研究業績や受賞に対して、栄誉教授の称号が授与されました。

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• 科学技術創成研究院

立体的な微細溝加工を施したナノシートを培養基材として利用。
薬剤開発時の実験の再現性向上や移植医療への応用に期待

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の藤枝俊宣講師、東海大学 医学部医学科基礎医学系分子生命科学の大友麻子助教、同中川草講師、上田真保子奨励研究員、工学部応用化学科の岡村陽介教授（共に東海大学マイクロ・ナノ研究開発センター兼任）、早稲田大学 理工学術院の武岡真司教授の共同研究グループでは、立体的な微細溝加工を施した高分子超薄膜（ナノシート）^[用語1]を培養基材^[用語2]として用いることで、培養神経細胞^[用語3] の均一性を担保するとともに、神経細胞の分化^[用語4]が促進されることを見い出しました。

なお、本研究成果は2020年4月21日（火）、国際学術誌『Scientific Reports』（DOI: 10.1038/s41598-020-63537-z ）に掲載されました。

要点

• アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患の罹患者が増加
• 基礎研究や薬剤開発の過程において、培養神経細胞の不均一性が実験の再現性を阻害
• 立体的な微細溝（溝幅: 50 μm）を加工した高分子超薄膜（ナノシート）（膜厚: 150 nm）を培養基材として用いることで、神経細胞の分化が促進され、培養神経細胞の均一性が保たれることを発見
• 今後は、培養基材の立体的特性やナノシートの物性が神経細胞の分化や成熟に与える影響について、分子レベルで解析を展開
• ナノシートの技術やマイクロデバイス技術を組み合わせた種々の立体的な培養基材を用いることによって、生体内に存在する神経細胞の立体的な環境の再現を目指す。

背景

超高齢社会を迎え、加齢に伴って発症リスクが増加するアルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患の罹患者が増加しています。これらの疾患に対する基礎研究や薬剤開発の過程では、必ず培養神経細胞が用いられます。しかし、培養神経細胞は実験ごとにその分化状態にばらつきが出やすいため、均一な条件下での研究および薬剤スクリーニングなどの実施を担保できない場合があります。そのような培養神経細胞の不均一性を改善し、実験の再現性を高めることが課題となっていました。

概要

本研究では、ポリ乳酸（PLA）を用いて作製した平滑なナノシートと、立体的な微細溝加工（溝幅: 50 μm）を施したナノシートを、それぞれ培養基材として用いてマウスの大脳皮質由来の神経細胞を培養しました。1ナノメートルは一万分の一ミリメートルです。今回は膜厚150 nmのナノシートを用いました。（図1）

平滑および立体的溝加工ナノシート基材上の神経細胞の分布を示す。平滑ナノシート上では細胞がランダムに接着するが、立体的な微細溝加工を施したナノシート上では溝構造が細胞接着部位を制御する。

微細溝加工したナノシートを神経細胞の培養基材として用いた場合の成長・分化などに与える影響を調べるために、蛍光顕微鏡や次世代シークエンサー^[用語5]などを活用して細胞形態の解析と遺伝子発現解析を行いました。

その結果、微細溝加工ナノシートを用いて神経細胞を培養すると、神経突起の進展方向が一定方向に制御され（図2）、シナプス形成に関わる遺伝子群の発現が早まることが示されました。

マウス由来大脳皮質初代神経培養細胞（培養後9日目）の神経細胞の染色像を示す。緑（Tuj-1）は神経突起、赤（MAP2）は 樹状突起、青（DAPI）は 核染色を示す。Mergeはそれらの重ね合わせた画像を示す。図中の白両矢印は微細溝加工の方向を示す。微細溝加工したナノシートを用いて神経細胞を培養すると、神経突起の進展方向が一定方向に制御されていた。
Otomo and Ueda et al., Scientific Reports, in press.

また、微細溝加工したナノシートを用いて培養した神経細胞は、平滑なナノシートと比較して、遺伝子発現パターンが均一化していました。これは、微細溝加工したナノシートが神経細胞の安定的な分化誘導に寄与する可能性があることを示唆しています。（図3）

網羅的遺伝子発現解析を用いて主成分分析を行った結果を示す。微細溝加工したナノシートを用いて培養した神経細胞は、平滑なナノシートと比較して、遺伝子発現パターンが均一化していた。
Otomo and Ueda et al., Scientific Reports, in press.

研究成果

培養基材の形態が神経細胞の形態形成や遺伝子発現パターンに影響を与えることはこれまでにわかっていましたが、神経細胞の分化に関して詳細な解析はなされていませんでした。本研究を通じて、培養基材に立体的な微細溝加工を施すことで、神経細胞の分化を促進し培養神経細胞の均一性を担保することが明らかとなりました。これにより、実験の再現性を高める効果があると考えられます。また、今回培養基材として用いたPLAナノシートは柔らかく、厚さも50-100 nm程度と薄いため、種々の加工が可能です。本研究の結果により、立体的な微細溝加工を持つPLAナノシートが、神経細胞の培養基材として優れていることが示されました。

今後の展望と課題

本研究により、立体的な微細溝加工を持つナノシートが、神経細胞の培養基材として優れていることが明らかになりました。一方、培養基材の立体的特性が培養神経細胞に与える影響や、ナノシートの物性が培養神経細胞に与える影響について明らかにすることはできませんでした。今後、培養基材の立体的特性やナノシートの物性が神経細胞の分化や成熟に与える影響について分子レベルで解析していきます。また、生体内に存在する神経細胞は、周囲を様々な細胞に取り囲まれた立体的な環境で生存しています。これらの環境をナノシートの技術やマイクロデバイス技術を組み合わせた種々の立体的な培養基材を用いることによって再現し、再生医療や移植医療に用いる神経細胞培養基材を開発することを目指します。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Efficient differentiation and polarization of primary cultured neurons on poly (lactic acid) scaffolds with microgrooved structures
著者 :	Asako Otomo, Mahoko Takahashi Ueda, Toshinori Fujie, Arihiro Hasebe, Yoshitaka Suematsu, Yosuke Okamura, Shinji Takeoka, Shinji Hadano & So Nakagawa
DOI :	10.1038/s41598-020-63537-z

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• 生命理工学院 生命理工学系
• 東海大学医学部基礎医学系分子生命科学
• 東海大学工学部応用化学科
• 早稲田大学 理工学術院
• 研究成果一覧

東京工業大学 地球生命研究所 特任教授の吉田尚弘名誉教授が2020年度日本地球惑星科学連合学術賞（三宅賞）を受賞しました。三宅賞は、1954年のビキニ事件をきっかけに、海域や大気の放射能汚染を調査し危険性を訴えた三宅泰雄博士（1908～1990年）が設立した「地球化学研究協会」が1972年に創設したものです。環境だけでなく、地学や海洋、宇宙など地球化学分野の研究で優れた研究者が毎年表彰されてきました。2018年からは公益社団法人日本地球惑星科学連合（JpGU）に移され、JpGUの年齢制限のない唯一の学術賞として、地球惑星科学に関わる物質科学の分野において、新しい発想によって優れた研究成果を挙げ、国際的に高い評価を受けている個人を隔年で原則1件、表彰しています。

JpGUは1990年に本学で開催された第１回地球惑星科学関連学会合同大会の事務局を母体として、2005年に設立されました。地球惑星科学を構成するすべての分野及び関連分野をカバーする研究者・技術者・教育関係者・科学コミュニケータ、学生や当該分野に関心を持つ一般市民の方々からなる9000人強の個人会員、地球惑星科学関連の50ほどの学協会、賛助会員から構成される、この分野最大の学術団体です。JpGUは日本の代表として米国地球物理連合（AGU）、欧州地球科学連合（EGU）、アジアオセアニア地球科学会（AOGS）など世界の関連する連合と国際連携をしています。その一環として2020年5月に幕張（千葉市）でJpGU-AGU合同大会が開催される予定でしたが、新型コロナウイルスのパンデミックの状況を受けて、2020年7月に延期してリモート会議として開催される予定です。

吉田尚弘名誉教授のコメント

受賞理由と業績内容

JpGUが発表した受賞理由と業績内容は次の通りです。

受賞理由

同位体置換分子種計測法の革新による大気化学的および生物地球化学的物質循環の研究の展開

業績内容

全ての元素は同位体の集合体であるように、全ての分子は同位体置換分子種（同位体分子と略称）の集合体であるが、ほとんどの同位体分子はまだ正確に測ることができない。吉田博士の主な研究業績は、様々な同位体分子の自然存在度を正確に計測する方法を開発し、その分子の起源を推定することで、地球環境、地球と生命の起源と進化の理解を深めてきたことである。無機分子の例としては一酸化二窒素の同位体比、同位体分子比を世界に先駆けて計測し、地球温暖化とオゾン層破壊に大きく関わること、その起源と将来予測などを明らかにした。低分子有機化合物の例としては炭化水素や低分子アミノ酸などの計測法を開発し、生物の代謝、地層中の生物・非生物分解過程、無機合成などバイオマーカーの起源とプロセスについて重要な発見をしている。また、計測法の開発に当たって新規世界標準を作成し、国際校正を主導するとともに、計測法の適用に当たっては実環境の観測や模擬実験などの国際共同研究をリードしている。これらの一連の研究は地球環境化学の分野において革新的な特筆すべき優れた研究である。

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• 高橋栄一名誉教授、吉田尚弘教授が紫綬褒章を受章｜東工大ニュース
• 吉田尚弘教授が米国地球物理学連合フェローに選出｜東工大ニュース
• 吉田 尚弘｜メンバー｜地球生命研究所（ELSI）
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• 地球生命研究所（ELSI）
• 三宅賞｜日本地球惑星科学連合
• 日本地球惑星科学連合

ナノサイズの空間を持つ分子が、超分子的な力を使って他の分子を包む超分子の世界。超分子（supramolecules）という言葉は聞きなれないかもしれませんが、実は私たちの身の回りにもたくさんあります。

東京工業大学はこのほど、超分子の興味深い性質と機能を分かりやすくまとめた5分間の動画を公開しました。新しい超分子開発とその特異性を解明した最新の研究成果と身近な事例を合わせて、詳しく説明しています。理学院 化学系の山科雅裕助教とケンブリッジ大学ジョナサン・ニチケ教授らの研究チームによる研究成果は、2019年10月、英国の総合科学雑誌「Nature（ネイチャー）」誌で発表されました。東工大全学サイトトップページの「研究最前線」でも「ナノサイズの『異空間』をもつ新物質 反芳香族分子で構築された新しい分子ケージの開発に成功」として紹介しています。ぜひご覧ください。

英語による紹介動画ですが、日本語、もしくは、英語の字幕を選択して視聴できます。

• 超分子化学：分子で分子を包む プレスセミナーを開催｜東工大ニュース
• ナノサイズの「異空間」をもつ新物質｜東工大ニュース
• 性ホルモンの男女を見分ける分子カプセル｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 山科雅裕 Masahiro Yamashina
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• 研究・産学連携本部
• 研究成果一覧

要点

• 磁性層と非磁性層からなる磁気ヘテロ構造のバルク物質(MnBi₂Te₄)_m(Bi₂Te₃)_nの発見と合成
• 本結晶を用いた2次元単層磁石の提案
• トポロジカル物性と2次元磁石を研究するためのプラットホームになるものと期待される

概要

東京工業大学 元素戦略研究センターのWu Jiazhen（鄔 家臻）特任助教と細野秀雄栄誉教授らは磁性元素Mn²⁺を含むMnBi₂Te₄層と非磁性のBi₂Te₃層がファンデルワールス力で結合したヘテロ構造(MnBi₂Te₄) (Bi₂Te₃)_n（nは整数）をもつ物質を発見し、その単結晶合成に成功したことを昨年11月に米科学誌Science Advancesに発表している。

本研究ではその単結晶を用いて、非磁性層の厚さ(n)を調節することで、(MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_nにおける磁性制御を行った。磁気的特性は交流磁化率を測定し、磁気モーメント緩和挙動を通して評価した。n=2,3の場合、外部磁場に対する明確な磁化率の緩和が観測された。これは層間距離が短いn=0,1の時には見られない現象であり、非磁性層を増やすことで層間のスピンカップリングを減らし、今まで得ることができなかったバルクの2次元磁石が実現したことが示唆される結果である。本物質は、エピタキシャル成長による薄膜を必要とせず、簡便なフラックス法により単結晶が合成できるので、トポロジカル物性と2次元磁石を研究するためのプラットホームになるものと期待できる。

本成果は独の科学誌Advanced Materialsの速報として4月24日にオンライン公開された。

背景

低次元磁石や磁気的基底状態^[用語1]はL.Onsager（ラルス・オンサーガー）らによる初期の理論的研究以来、物性物理の課題の一つである。１次元物質では長距離秩序の形成は不可能である一方、2次元磁石は基礎的側面だけでなく、デジタルデータメモリや量子コンピューティングなど応用面でも関心を集めている。しかし、単原子層を有する2次元磁石は実験的に実現が難しく、今までCrI₃（三ヨウ化クロム）やFe3GeTe2（Ferromagnetic metal／強磁性金属）のような２次元ファンデルワールス結晶をはく離することでしか得られなかった。

以上の観点から、磁性層と非磁性層の2次元磁気的ヘテロ構造^[用語2]を自然に有する物質は理想的な2次元磁石が得られる舞台として着目されている。また、トンネル磁気抵抗や量子異常ホール効果^[用語3]のようなエキゾチックな物性を示す舞台になることが期待されている。

本研究のアプローチ

Wu Jiazhen特任教授、細野栄誉教授らは(MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_nという磁性層MnBi₂Te₄と非磁性層Bi₂Te₃が交互に積層された化合物が存在することを見出し、その単結晶の合成に成功していた。

バルクのMnBi₂Te₄(n=0)とMnBi₄Te₇(n=1)は反強磁性のトポロジカル絶縁体^[用語4]であり、これらの層間の距離をBi₂Te₃層の数nの値を変えることで図１のように制御できれば磁性層間の磁気的相互作用を系統的に調べることができる。

このようなヘテロ構造は薄膜エピタキシャル法で交互に積層する方法で作製するのが一般的だが、歪みや欠陥が入りやすいという問題があった。バルクの単結晶が熱的に合成できれば、より理想的なヘテロ接合になり得る。

研究成果

単結晶はフラックス法^[用語5]で合成された。明確なファンデルワールスギャップによって分離されたヘテロ構造の形成が形成されていることは図2の原子分解能STEM（走査型透過電子顕微鏡）像から明らかである。単結晶の育成温度域は非常に狭いが、磁気的ヘテロ構造が熱力学的に安定化し、単結晶として合成することができた。

理論計算と実験的観察からn=2以上で層間磁性のデカッブリングが始まることが示された。デカッブリングは交流磁化測定によって調べた。図3に示すように10 K以下ではゆっくりした磁気緩和が明確に観察された。この緩和は層間のスピンの回転や層内のドメイン壁の運動によるものと考えられ、層間の磁気的カップリングが十分に弱くなる時のみ生じる。これらの結果から図4に示す磁気相図を明らかにできた。

今後の展開

本物質はバルクの2次元磁性の研究に適したプラットホームを提供する。また、（MnBi₂Te₄)_m(Bi₂Te₃)_nはトポロジカル絶縁体でもあるため、2次元磁性とトポロジカル表面状態が協奏するエキゾチックな物性の発現が期待される。

謝辞

本成果は科学研究費補助金（No. 17H06153）、文部科学省元素戦略プロジェクト「拠点形成型」（No.JPMXP0112101001）の支援を受けたものである。

論文情報

掲載誌 :	Science Advances
論文タイトル :	Natural van der Waals Heterostructural Single Crystals with both Magnetic and Topological Properties（磁性とトポロジカル性をあわせもつ自然ファンデルワールスヘテロ構造の単結晶）
著者 :	Jiazhen Wu, Fucai Liu, Masato Sasase, Koichiro Ienaga, Yukiko Obata, Ryu Yukawa, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Satoshi Okuma, Takeshi Inoshita, Hideo Hosono
DOI :	10.1126/sciadv.aax9989

掲載誌 :	Advance Materials
論文タイトル :	Toward 2D magnets in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)n Bulk Crystal（(MnBi2Te4)(Bi2Te3)nバルク結晶における2次元磁石にむけて）
著者 :	Jiazhen Wu, Fucai Liu, Can Liu, Yong Wang, Changcun Li, Yangfan Lu, Satoru Matsuishi, and Hideo Hosono
DOI :	10.1002/adma.202001815

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