身近な化学の不思議から研究の最前線へ。分子が示す光の現象を解き明かす

東京高専の物質工学科を卒業後、大学院で有機化学を学び、東芝での研究を経て母校へと戻った井手智仁先生。現在はπ共役分子や金属錯体を中心に、分子の構造と光機能の関係を探る研究を進めています。丁寧な実験操作の先に物質が劇的に変化する化学実験に惹かれた高専時代の経験は、今も研究と教育の原点となっています。そんな井手先生にお話を伺いました。

実験に魅了された学生時代の記憶

―東京高専に進学されたきっかけを教えて下さい。

化学を中心に勉強や実験をしたかったからです。中学の理科がとにかく好きで、授業中の演示実験にワクワクしていました。一般向けの科学入門書であるブルーバックスシリーズもよく読み、材料や金属、化学の話題に親しんでいました。錆びのように、身近なものが化学反応によって姿を変えていく。その不思議さと面白さにどんどん惹かれていったんです。

高専を知ったきっかけは曖昧ですが、叔母から高専のことを聞いたことや、受験本の巻末で見かけたことがありました。ただ、中学3年の夏休みに参加した実験教室の印象は鮮明です。広い実験室や大きな装置に触れ、「ここなら早くから本格的な実験に取り組める」と直感しました。

―入学後の印象はいかがでしたか。

入学後の印象は、その直感どおりでした。化学の授業が多く、実験の機会も豊富で、希望どおりの環境でした。レポートは確かに多かったのですが、最初は穴埋めから始まり、徐々に自分で書けるようになる仕組みになっていました。突然難しくなることはなく、階段を一段ずつ上るように取り組めました。

また、当時いらっしゃった先生に目をかけていただき、先生の実験室を使わせてもらったりしました。学生実験とは異なり自由に実験させてもらえた経験は、自分で考えて試す姿勢を育てる大きな機会になったと思います。

―学生時代、特に印象に残っている実験やエピソードはありますか。

卒業研究で取り組んだ最初の合成は盛大に失敗しました。塩化チオニルという試薬を使ったエステル合成だったのですが、これは水と触れると激しく反応し、塩酸などを発生させる危険な物質です。実験でこの試薬を入れたフラスコをウォーターバス（温水で加熱する装置）にかけていたところ、フラスコがバスに落ちて、一気に分解が進んでしまいました。

ちょっとした不注意からも物質が劇的に変化するという、化学らしい経験（失敗）でしたね。幸い大事には至らなかったので再度反応を仕込み直しましたが、そもそもこの方法ではきれいに合成できなかった、というさらなるオチもありました。

―専攻科や大学院へ進んだ理由、研究室選びの基準を教えてください。

研究を続けたいという思いが強く、専攻科に進学しました。東京工業大学（現：東京科学大学）の大学院で研究室を選ぶときには、一つのテーマに絞り込むよりも、錯体や超分子、高分子といった幅広い化学に触れられる環境を重視しました。企業就職も視野に入れていたので、広い知識が後々応用に役立つだろうと考えていたからです。

高専時代にはフラーレンという球状の分子や、フェロセンというサンドイッチ錯体（有機分子で金属をサンドイッチしたような構造をもつ分子）を扱い、大学院ではπ共役の大環状分子を研究しました。現在もπ共役分子と錯体を中心に研究をしています。

π共役分子とは、ベンゼン環のように構造式で二重結合と単結合が交互に並んだ有機分子です。この構造のおかげで電子が分子全体に広がれるようになります。このため色を持ったり光を吸収して発光したり、半導体のように電気を運んだりする性質を示します。π共役の大環状分子は、その結合が大きな輪になったもので、電子が環の中を動きやすくなるため、独特の光や電気の性質を示します。

錯体は、金属と有機分子が組み合わさった分子で、金属が入ることで電子の動きや光の吸収・発光の仕方が大きく変わります。例えばカラオケボックスの壁に使われる、ブラックライトで光る塗料のように、生活にも身近な「光る分子」が潜んでいます。研究ではそうした現象を理解し、意図的に設計して生み出すことを目指しています。

分子構造だけを見れば両者は別物ですが、分野としては有機化学・π電子系の延長線上にあります。幅広い分野に取り組んだ経験が、その後の研究や共同研究につながっていると感じています。

―企業での研究経験について教えてください。

入社直後は水処理の研究に携わり、吸着材や凝集剤、浸透圧を利用した水処理などを手がけました。震災の翌年に就職したため、原子力関係の研究もありました。その後は希土類の吸着、浸透圧関係、最後には分子メモリや人工光合成にも少し関わりました。大学院で培った知識は水処理や材料研究に応用でき、重なる部分が多かったと感じます。

転機は、会社の不正会計が社会問題となった時期に、母校で公募があったことです。ちょうど時期が重なったので応募しました。企業に残る道もありましたが、高専というよく知った環境で研究を続けられると考えたのです。

昨日光らなかった試料が今日光る、その瞬間に魅せられて

―現在の研究内容を教えてください。

現在は特定のテーマに絞らず、幅広く研究しています。先述のとおり、π共役分子や金属錯体の合成と光機能を中心に、分子の構造と機能の関係を実験と理論の両面から探っています。単結晶X線構造解析で狙いどおりの環状分子や錯体の構造を確認できると大きな達成感があります。

ほとんどの研究は共同研究として始まっていますが、例外は発光性の銅（I）錯体の研究です。これは博士論文審査のあと、研究室にあった試薬を適当に組み合わせて試したことから始まったテーマです。

企業との共同研究では、有機分子や錯体のみならず、ポリマーや配位高分子、酸化物まで守備範囲を広げています。合成だけでなく、量子化学計算を組み合わせて、例えば「なぜ光るのか」「なぜ光らないのか」を解析し、次の設計へとつなげようとしています。

―多くの共同研究をなされていますが、どのようなきっかけで始まったのでしょうか。

多くは人との縁がきっかけです。高専時代の後輩とのつながりが今も科研費のテーマとして続いていますし、学生のインターンシップが契機となったプロジェクトもあります。自分から積極的に働きかけることは少なく、企業の場合は声をかけていただくことが多いですね。

もちろん自分から動いたこともあります。物質・デバイス領域共同研究拠点の賞を同時にいただいた研究者が、東京高専の出身だと後で知りました。その方はデバイスづくりに強く、こちらには面白い材料がある。そこで「この材料でデバイスを作って試してもらえませんか」とお願いしました。完全に同じ分野同士だと競合することもありますが、隣り合う分野と手を組むと互いの強みが生きます。

―現在取り組まれている量子化学計算は、実験とどう関わっていますか。

計算は現象の仕組みに迫るための道具です。分子が光を吸収したあと、形がわずかに変わる場合もあれば、ほとんど動かない場合もあります。その違いが「光る・光らない」を分けます。計算を使えば、光を当てた後の動きを可視化し、なぜそうなるのかを理解することができます。

予測自体は難しく、とくに発光の強さを数値で当てるのはまだ課題です。それでも見込みの薄い候補を事前に外せるだけで研究は効率的になります。結晶性の物質であれば、単位構造を取り出して計算でき、実際の材料に近い条件で議論できるのも利点です。学生が実験を担い、私は授業や運営の合間に計算を行い、両者の結果を突き合わせながら研究を進めています。

―研究の面白さはどこにありますか。

面白さはとてもシンプルです。昨日まで光らなかった分子が次のステップで光るようになる、電気化学測定の波形に予想外の変化が現れる、超音波を当てると分子がゲルになる。分子は構造や置換基を少し変えるだけで全く違う性質を示します。その変化に立ち会えることが、研究を続ける一番の魅力です。作って終わりではなく、必ず「先」があるのです。

また、有機合成は「腕」の世界でもあります。同じ手順でも、酸素や水分の混入、撹拌の仕方など微細な条件で結果が変わります。経験を積めば「この操作は失敗する」というパターンを体に刻み込むことができます。教科書にはすべてがきれいに進むように書かれていますが、実際には副生成物や原料、添加剤や触媒由来のごみなどが生じます。これらを含む混合物を精製するのも一苦労です。だからこそ、手を動かしながら経験を積むことが不可欠なのです。

―今後の目標についてお聞かせください。

研究室の運営はなかなか大変です。予算を外から集める必要があり、学生の雰囲気も年ごとに大きく変わります。自然に進む年もあれば、介入しなければ動かない年もあります。授業や研究に加え、委員会や設備管理の仕事もあり、企業のように役割分担できない分、教員一人に多くの役割が重なります。

当面の課題は、溜まっているデータを論文にまとめることです。学生が得た成果をきちんと形にして残すのは研究者の責務です。人材育成と共同研究を通じて、日本の基幹産業である化学や関連分野を盛り上げたいとも考えています。学生が取り組みやすく、応用にもつながるテーマを大事にしていきたいですね。

―高専生にメッセージをお願いします。

とにかくたくさん手を動かして、実験して、経験を積んでください。それが一番大きいと思います。化学は実験の学問であり、実験を支えるのは経験です。どうやれば失敗するかというパターンを身体で覚えれば、極端な失敗は避けられます。毎週の実験の中で、教科書や論文どおりにいかない現実に向き合い、まわりの意見も参考に、自分で工夫することが大事です。やりたいなら先生に声をかけて実験室を使わせてもらうのもいい。高専は設備も環境も整っていますから、使い倒してこそ価値が出ます。手を動かすのが好きな人には、これ以上ない場所です。

井手 智仁氏
Tomohide Ide

• 東京工業高等専門学校 物質工学科 准教授

2005年3月　東京工業高等専門学校 物質工学科 卒業
2007年3月　東京工業高等専門学校 専攻科 物質工学専攻 修了
2009年3月　東京工業大学（現：東京科学大学）大学院 総合理工学研究科 化学環境学専攻 修士課程 修了
2012年3月　東京工業大学大学院 総合理工学研究科 化学環境学専攻 博士後期課程 修了
2012年4月　株式会社東芝 入社
2016年9月　東京工業高等専門学校 物質工学科 助教
2019年4月より現職

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