多孔性金属錯体の開発（ノーベル化学賞2025）

※テーマ：素朴な疑問はChatGPTとの戯れ。

 

Q．多孔性金属錯体の開発でノーベル化学賞を受賞されたようだけど、研究の概要をわかりやすく解説してもらえる？

 

多孔性金属錯体（金属‐有機構造体／MOFs：Metal-Organic Frameworks）でノーベル化学賞を受賞した件、最近のニュースを踏まえて、研究の内容をできるだけ分かりやすく整理してみるね。土木技術職の観点でも「構造」と「機能」「応用」が見えてくると思う。

ノーベル賞の対象と背景

2025年のノーベル化学賞は、Susumu Kitagawa（北川進教授）, Richard Robson, Omar Yaghi の３人に、「金属‐有機構造体（MOFs）」の発展・発明に対して授与されました。(Reuters)

“MOFs” は「金属イオンまたは金属クラスター」と「有機配位子（リンク分子）」とが結合して、三次元で網目状・骨格構造を作り、その中に細孔（ポア＝穴）を多数持つ材料。(CAS)

何がすごいか：既存材料との違い

これまでにも「多孔性の物質」はゼオライトなどで使われていましたが、MOFs が従来材料と比べて優れている主な点は以下：

 

Kitagawa らの具体的な業績

北川進教授らの仕事を中心に、「多孔性金属錯体」の開発でどこがターニングポイントだったかを追ってみる。

  1. 多孔性結晶性金属錯体（PCP: Porous Coordination Polymer）＝ MOF の実証
    北川先生は、有機配位子＋金属の組み合わせで、構造が安定な結晶として保持され、かつ多数の細孔を持つ材料を創製。従来 “guest（分子）が入れば構造が保たれるが、外すと崩れる” という“孔が空いた状態で弱い構造”という認識があったが、それを打ち破り、空孔を持っても構造が維持できる robust なものを示した。(日本学術会議)

  2. ガスの貯蔵・分離
    CO₂、CH₄、O₂、CO などの気体を選択的に吸着・貯える能力がある。また、混合ガス中から特定のガスを分離する機能を持つものを設計。例えば、排出ガス、バイオガスなどからの CO₂ 分離など。(CAS)

  3. 応用を見据えた機能的材料の創出

    • 可燃性あるいは爆発性のアセチレンガスの安全な貯蔵。(日本学術会議)

    • 燃料電池などへの応用を想定したプロトン伝導性材料。湿度ゼロでも使える固体電解質など。(日本学術会議)

    • 水を空気中から集めるなど、“乾燥地帯で水を得る”技術や、環境浄化など。MOFs の吸着・分離性能を活かした用途が注目されている。(Reuters)

  4. 設計原理・合成法の発展

    • 金属‐配位子の組み合わせをライブラリ化し、どのような構造になるかを予測・制御する。(CAS)

    • 合成条件（温度、溶媒、濃度など）を工夫して、構造の安定性や孔の形／大きさを変える。

    • 配位子の機能化（化学反応性を持たせたり、表面を特殊な性質にしたりして）を推し進める。

応用と展望（実際の社会・技術との関わり）

多孔性金属錯体は研究室の素材として「面白い」だけでなく、実用化・産業応用の可能性も非常に高い。以下の分野で期待されてる／すでに実用化に近づいているもの：

  • 温室効果ガス（特に CO₂）の捕集・隔離：気体を選択的に吸着する能力を利用して、大気中や排ガス中の CO₂ を効率よく取り除く。

  • ガスの貯蔵（水素、メタンなど）：燃料電池の燃料としての H₂ の貯蔵、メタン燃料、あるいは移動体／宇宙用途などで「軽くて高容量」のガス貯蔵材料として。

  • 水の収集（湿度の低い環境下で）：夜間など湿度が高いときに空気中の水分を吸着し、日中に放出して水にするという技術。乾燥地域での水資源確保に応用可能。(Reuters)

  • 分離プロセス：化学・石油化学産業で混合ガス・混合流体から特定成分を分離するプロセス（例：工業排ガス、バイオガス、空気中の酸素／窒素分離など）。

  • 触媒作用：細孔内部や表面に触媒活性部位を設けて反応を促進。化学製造プロセスの効率化。

  • センサー・医療応用：微量な分子を識別する、薬物の運搬、イメージングなど。

技術的な限界・課題

研究が進んできたとはいえ、MOFs にはまだ以下のような課題もある：

  • コスト：リンク分子や金属のコスト、合成・精製工程が複雑なものが多い。大規模製造時にコスト高になる可能性。

  • 安定性：湿度、温度、化学薬品、pH 変化などで別の分子が入り込んだり、水に弱い結合を持つものは長期使用で壊れやすい。

  • 実用スケールでの耐久性とスケーラビリティ：ラボでの性能は良くても、現場で何年も使えるものかどうか。構造が変形しないか、孔が詰まらないか。

  • 安全性：特定の金属や有機配位子が有害であったり、燃焼性・爆発性ガスを扱う時の安全設計。

  • 効率の最適化：吸着速度、放出速度、熱・質量輸送の制限など、工業的に使うには「速さ」も重要。

なぜ「今」ノーベル賞か（タイミングの理由）

  • 持続可能性・気候変動対策の重要性が増しており、CO₂削減やエネルギー保全といった現代の喫緊課題に対する具体的な材料ソリューションとして MOFs が非常に有望になってきた。(Reuters)

  • 多数の研究グループで設計・合成・応用が進み、実証実験あるいはプロトタイプ段階で成果が見える段階にきている。

  • 「分子構造を設計可能なポーラス材料」というコンセプトが成熟し、しかも多様な応用（環境・エネルギー・医療など）と連携できる幅が広がってきた。

もしよければ、MOFs が土木・建設分野とどう絡むか（例えば、吸着材、構造材料、環境浄化など）についても具体例を出して話そうか？

 

 

Q．錯体とか配位子ってなに？それがどうMOFsの特徴に影響しているの？

回答を読む限りだとMOFsが開発されたのは割と最近っていう印象を受けるけど、簡単なヒストリーを教えてほしい。

このMOFsってどんな見た目してるの？

土木・建築分野ってコスト至上主義みたいなところがあって、このような機能性材料ってほとんど使われることがないのと、例えば吸着材にしても現状あるものでなんとかしようとするから、最もイノベーションが起きにくい分野だと思うよ。

 

めちゃくちゃ良い視点ですね。
まさにその「コスト至上主義でイノベーションが起きにくい」という洞察こそ、MOFの価値を“対比的に”際立たせる部分でもあります。では順にわかりやすく整理してみましょう。

🔷 そもそも「錯体」「配位子」って何？

ざっくり言うと――

用語 ざっくり説明 例え（建築で言うと）
金属錯体 金属イオンのまわりに「配位子」と呼ばれる分子やイオンがくっついてできた化合物。 金属が「柱」、配位子が「梁・トラス」で、全体として立体構造をつくる感じ。
配位子（ligand） 金属にくっついて支える分子。酸素や窒素など、電子を持つ原子を介して金属に“配位”する。 「金属に取りつく腕」や「連結材」。金属を結びつけて構造を形づくる。

金属錯体の化学は19世紀から続く古典的な分野で、遷移金属（Fe, Cu, Zn, Co など）は電子を受け取ったり与えたりしやすく、そこに配位子がつくことで安定構造や機能（発色、触媒など）を発揮します。

🔷 MOFsにおける金属と配位子の役割

MOF はこの「金属錯体の結合」を三次元的に無限につなげた結晶構造体です。

  • 金属（または金属クラスター）：
    → 骨組の節点（ノード）になる。
    例：Cu²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺ など。

  • 有機配位子（リンク分子）：
    → 金属と金属をつなぐ梁のような存在。
    例：テレフタル酸、ビピリジンなど。

つまりMOFとは、「金属イオン＋配位子をレゴブロックのように組んで、分子レベルで建築された構造体」なのです。
そして、金属と配位子の組み合わせを変えれば、孔の大きさ・形・化学的性質を自由にデザインできるのが最大の特徴。

🔷 ヒストリー（ざっくり100年スパンで）

時期 出来事・発展 ポイント
19世紀後半 金属錯体の概念（アルフレッド・ヴェルナー）確立。1913年ノーベル化学賞。 錯体化学の土台ができる。
1980年代 Richard Robson らが「配位高分子」を報告。金属錯体が結晶内でネットワークを形成できることを示す。 MOFの“原型”。
1990年代前半 北川進・山口茂樹らが「多孔性金属錯体（PCP）」を提案。空孔を保ったまま構造を維持できる結晶を初めて合成。 “孔があっても壊れない”ことを実証。
1995〜2000年代 Omar Yaghi らが「MOF-5」などを開発。超高表面積・設計自由度の高さを示す。 MOFという呼称が定着。
2010年代以降 ガス吸着・CO₂分離・水回収など、環境・エネルギー分野で応用研究が爆発的に拡大。 産業応用を意識した研究時代へ。
2025年 北川・ロブソン・ヤギがノーベル化学賞受賞。 「分子建築材料」としての成熟を象徴。

🔷 MOFsってどんな見た目？

  • 肉眼で見ると：白や淡い粉末状の結晶。ゼオライトのように“粉体”で扱われることが多い。

  • 顕微鏡スケールで見ると：数十〜数百nmの立方体や多面体の微粒子。

  • 構造モデルで見ると：
    青い球（金属）と棒状のリンク（配位子）が3次元に連なる網目。中に“空洞（ポア）”がたくさん空いている。

ちょうど**分子スケールの“鉄骨ラーメン構造”**みたいなもの。
しかも、**空洞率が最大90％**に達するような超軽量多孔体もあるんです。

🔷 土木・建築分野との距離感（＝なぜ使われにくいのか）

おっしゃる通り、現実にはこの分野でMOFが直接使われることはほぼありません。理由を整理すると：

要因 内容
コスト至上主義 1円単価がシビアな世界。構造材も機能材も「既存品の延長で済ます」文化が強い。
要求特性の違い 土木建材は「強度・耐久・施工性・コスト」が最重要。MOFのような“化学的機能”は求められにくい。
スケール問題 MOFはナノ〜ミクロ単位で機能を発揮。道路・橋梁・ダムのようなマクロ構造体には作用しづらい。
維持管理の文化 新素材よりも、既存材料をどう長持ちさせるか（LCC削減）に主眼がある。

🔷 それでも土木的に面白い“接点”はある

ただし、**「環境」「メンテナンス」「持続可能性」**の観点からは、MOFがじわじわ土木にも関わってくる可能性があります。

  • 🌫 大気中のCO₂やNOx吸着パネル（道路沿いやトンネル換気部などでの環境浄化）

  • 💧 湿度調整・結露防止機能を持つコンクリート外装（MOFを塗布・混入）

  • 🌡 ヒートアイランド対策／調湿舗装への応用（吸放熱制御）

  • 🧱 自己修復材のマトリクス内での触媒機能（反応を促す“分子触媒骨格”として）

つまり、**構造材の「中身」ではなく、「表面の機能性層」や「環境対策装置」**としてなら、土木・建築とMOFは相性が良いかもしれません。

🔷 まとめ

  • 錯体＝金属と配位子がくっついた分子構造。

  • MOF＝それを三次元につなげて、分子レベルで設計できる多孔構造体。

  • 1990年代〜2000年代に確立、2025年ノーベル賞。

  • 粉末状結晶で、分子レベルでは「骨組み＋空洞」構造。

  • 土木・建築には直接は入りにくいが、環境・持続可能性技術の周辺領域で波及の可能性あり。

希望があれば、
次に「もし土木分野でMOFを応用するならどんな実験・試行が現実的か（コスト・耐久・スケールを考慮して）」という観点で試案を出すこともできます。
やってみる？

 

 

Q．今までたくさんの人がMOFsの研究開発に心血を注いできたと思うけど、その他大勢の先人たちの功績より今回受賞された3人の方がすごいってこと？

持続可能性や気候変動対策の重要性が増している背景はわかるけど、まだ実用化も途上のこのタイミングでのノーベル賞は早くない？

土木にも面白い接点があるのはわかるけど、じゃあ果たして沿道にCO2吸着パネルを設置したところで、どれくらいのCO2排出削減効果があるの？吸着したCO2を回収することも考慮すると、管理が大変なように思う。条件適当に設定してもらって、沿道にCO2吸着パネルを設置したときのCO2排出削減効果をシミュレーションしてもらえる？

 

いい視点だし良い質問——じゃあ結論と根拠を整理してから、シミュレーション結果の読み方をざっくり解説するね（下で実際に数値表とグラフを出したよ）。

1) 「その他大勢の先人たちより3人がすごいのか？」について

学術賞は「発想の突破」「概念を定式化して以降の研究を一気に進めたか」「その分野を広く成熟させたか」が評価されることが多い。MOF の場合：

  • MOF の**発想（分子レベルの“設計可能な多孔材料”）**を確立し、

  • 「空孔を保ちながら安定な結晶をつくる」ことや「実際に高い気体吸着能を示す材料」を示した点で、彼らの仕事が“場”を作った（多くの研究がそこから枝葉のように発展した）。

だから「先人たちの積み重ねが重要なのは間違いない」一方で、**受賞者3人は“その場を作り、研究領域を爆発的に広げた主要人物”**であり、学術賞としては評価されやすいタイプの業績、という理解が自然です。

2) 「実用化が途上の段階でのノーベル賞は早くないか？」について

早い／遅いは主観的だけど、ノーベル賞は必ずしも「完全に実用化された技術」にしか出さないわけじゃない。むしろ「概念的なブレイクスルー」が、その後の科学・技術に大きな影響を与え、広範な応用の道を開いた場合に評価されることが多い。
MOF は1990年代〜2000年代にかけてコンセプトが確立してから急速に応用研究が広がり、ここ数年で環境・エネルギー分野で現場スケールの試験や商業化の試みが増えている。したがって“概念の有用性が実証段階に入った”点で授賞のタイミングとして妥当だと見る向きもあります。

3) シミュレーション（沿道にCO₂吸着パネルを設置した場合の効果）

あなたの懸念どおり、現実には「設置・管理・回収コスト」「再生に要するエネルギー」「パネルが捕集可能なCO₂量」のトレードオフが大きく、劇的な削減効果を期待するのは難しいです。で、具体数字を出して感覚を掴んでもらうために、**「1 km の道路（両側）に高さ2 m のパネルを連続設置」**した場合を想定して試算しました。主な仮定（現実に即すための保守的な想定）：

  • パネル面積：1 km × 2 m 高さ × 両側 = 4,000 m²

  • MOF 層質量：1 mm 厚、実効密度 500 kg/m³ → 約0.5 kg/m²（= 2,000 kg 総量）

  • MOF の吸着能：100 g CO₂ / kg MOF / サイクル（現行のMOF性能の控えめな代表値）

  • 循環頻度：1サイクル/日（吸着→日中に放出など）

  • 車両排出：平均 200 g CO₂ / 車-km、AADT（車/日）を基に計算

  • 再生エネルギー：2 MJ/kgCO₂（仮定）で発電炭素強度は 0.5 kgCO₂/kWh

要点（シミュレーション結果のサマリ）

  • 年間で捕集できる CO₂（粗）＝ 約 73 トン / 年（上の仮定下）

  • 同じ区間（1 km）の交通排出量＝ 約 1,460 トン / 年（AADT=20,000台/日, 200 g/km）

  • 再生に要する電力を現行グリッドで賄うと再生で生じる CO₂ が約 20 トン / 年。

  • したがって 正味の削減は約 53 トン / 年（= 73 − 20 t）。これは交通排出の 約 3.6% の削減に相当。

図や表は実際にプロットしてあって、AADT（車/日）を横軸にしてMOF 層厚（0.5 / 1 / 2 mm）ごとの削減率を示すグラフも出してあります。



グラフからわかること：

  • 交通量が多い道路ほど、同じ捕集量でも割合削減は小さくなる（分母が大きい）。

  • 層を厚くすると捕集量は増えるが、材料コスト・メンテナンス・目詰まり・風荷重等の課題が増す。

  • 再生に使うエネルギーやその発電の炭素強度によっては、実際の“正味”削減がかなり目減りする。

4) 現実的な運用での問題点（管理面・コスト面）

  • メンテナンス：粉塵や有機物で孔が目詰まりする→性能低下。沿道は排ガス・塩分・砂埃が多く、目詰まりリスク高い。

  • 回収（再生）運用：定期的な加熱や圧力スイングで回収する必要があり、そのための設備・エネルギーが要る。モジュール化して遠隔再生・集約再生できればまだマシ。

  • 安全・耐久：風荷重や衝突、塩害、凍結融解など環境ストレスに耐える構造化が必要。

  • コスト効率：1 km あたりの設備投資・ランニングコストに見合うだけの削減単価が確保できるか（LCOE的な議論が必要）。

  • 代替策との比較：同じ金額で道路沿いに植樹やEV促進の施策をやったほうがCO₂削減効率が良い可能性が高い。

5) 結論（短く）

  • 理論的には沿道にMOFパネルを置くことで CO₂ の局所捕集は可能だが、規模感で見れば道路交通の総排出量に対する削減割合は小さい。

  • 再生エネルギーを完全に低炭素（再エネ）で賄えば正味削減は改善するが、管理・耐久・コスト面の課題は依然大きい。

  • 土木分野で実用化の道をつくるには、「沿道に大量に置く」よりは 特定条件（トンネルの換気出口、バス停付近、交通渋滞の排気が集まる場所）に絞った導入 や、パネルの低コスト化・目詰まり対策・再生効率改善が現実解。

もし良ければ次のこともできます（やるならそのまま実行します）：

  1. 今の試算の感度分析をもっと深堀り（MOF吸着能、層厚、サイクル数、再生エネルギー、電力の炭素強度を変えて表やCSVを出す）。

  2. 「どこに置けば効果が高いか」— トンネル出口やバス停、信号交差点などのホットスポット設置案を具体的に評価する簡易モデル。

  3. コスト試算（材料単価、施工、運転保守、再生コスト）を簡易に入れて「CO₂削減単価（$/t-CO₂）」を計算する。

どれを先にやる？（強めの提案：まず1をやると感度がわかって実務判断しやすいよ）

 

 

【感想】

まず化学について触れておくと、私は化学専攻だったこともあって錯体とか配位子っていう用語自体は知っていたが、錯体化学は超苦手で無気力

錯体の考え方は、金属が単体で存在しにくい環境（人体内とか）で、有機物や無機物と結合することで安定化して、機能を発揮するっていうもので、考えようによってはなんでもできるじゃん！っていう夢の広がる分野ではあると思われるニコニコ

今回のノーベル化学賞は多孔性、気体選択性という機能を持たせた金属錯体を開発したと言うことで、ナノサイズで制御したってことだからそこがすごい。（こなみかん）


それと、最後の方で沿道にCO2吸着パネルを設置した時のCO2削減量をシミュしてもらったけど、このCO2吸着パネルって、DACではあんまり力を発揮しなさそう。DACってDirect Air Captureの略で、我々人間が通常置かれている環境のCO2濃度が400〜数千ppm程度くらいなんだけど、そういう薄いCO2濃度の空気からCO2を捕まえる技術のこと。

そうではなくて、工場とかから発生する燃焼ガスのCO2濃度は150,000ppmくらい（適当）で、そこに設置するようなものじゃないのかと推察してる。

とまぁ前置きが長くなったが、こういう吸着パネルを道路に置くのってデメリットばかり浮かぶ気がするけど、最大のメリットはスケールメリットがあることだと思ってる。道路って日本だけでどれくらいあるか知ってるはてなマーク120万kmもあって、大部分は生活道路とかだから通過交通量もそんなに多くない。つまり、シミュレーション結果のグラフの左側（交通量が少なくてCO2をたくさん吸着）に相当するわけで、そうなってくるとCO2削減効果はないとも言えない。

夢があるけど、課題もたくさんにっこり今後のさらなる材開発、舗装分野の技術開発に期待したい。