理論化学の役目

我々も含めて地球上にある全ての物が、電子という負の電気を帯びた軽い粒子と、原子核という正の電気を帯びた重い粒子からできています。電子は一種類、原子核は百種類程度しか無いのに、それらが集まると硬かったり、甘かったりと色々な性質を持つ物ができます。それはなぜか、ミクロな立場から物の性質を理解するのが、理論化学や物性物理学の仕事です。

これら物の性質はそれを作っている原子核と電子の挙動が分かれば理解でき、多くの場合原子核より電子が主役です。つまり物の性質を理解する事は、その物に含まれる電子のあり方を理解する事です。同じ種類の電気は避けあい、違う種類の電気は引き合うという具合に、これらの構成粒子の従う法則は既に分かっていますが、沢山の粒子がお互いに影響し合っているので(多体問題)、集まった時に何が起こるかよく分かっていませんでした。しかし優れた科学者と計算機の発達のおかげで、その様子が粒子の従う法則(量子力学)だけから予想できるようになってきました。

この様な学問はどんな役に立つのでしょうか。一つには物の仕組みを唯一つの法則から理解する事で、私達の知的好奇心を満たしてくれます。二つ目には、これらの理論は私達が直接調べられない物の情報を教えてくれます。例えば木星や土星の中心では、三百万気圧の高圧力のせいで、水素ガスが金属になっていますが、これはどんな物か、また地球の地下三百から二千九百キロメートルにあるマントルが何から出来ているか、遠い星から来る光だけから、その星にどんな物があるかは理論が教えてくれます。しかしこれら二つより更に重要なのは、この様な学問が私達の直面している、環境や科学技術の問題の解決に必要だろう事です。

環境問題

今私達は地球温暖化、環境ホルモン等の有害物質、ごみ問題等多くの環境問題に直面しています。これは人々が利便さのみを追求し、科学技術を盲目的に利用した結果生じたものです。化学は新技術で、人類が直面している地球規模の問題を、解決できると期待されています。

二酸化炭素問題は、石油、石炭等の化石燃料を使う結果生じるエネルギー問題であり、太陽電池や人工光合成等の太陽エネルギーの有効利用や、新型電池による省エネルギー等が解決策として期待できます。これらは光、電気、化学エネルギーの相互変換を如何に効率よく行うかが最重要です。これらの過程では電子が主役となり進むため、その動きを正確に理解すれば、より良い変換法が分かるはずです。理論と計算機の発達により、この相互変換の過程もかなり良く分かってきました。

太陽電池はけい素からできていて、光を吸収して電気に変えます。けい素中の電子が光を吸収すると、そのエネルギーで今迄いた安定な場所から、不安定な場所に移ります。元の位置は空席になり、この空席と移った電子はそれぞれ正、負極に移動して電気になります。この全く逆を行うのが、携帯機器によく内蔵されている発光ダイオードです。これらが赤や緑等の決まった色で光るのも理由があります(固体物理)。最近良く見る抗菌タイルは、太陽電池と良く似た原理で汚れを分解します。タイルの表面に塗られた二酸化チタンが紫外線を吸収して、そのエネルギーをもらった電子と空孔は表面に移動して、酸素や水にエネルギーを渡し、この酸素や水が汚れを分解します。二酸化チタンは有害物質や重油も分解できます。

代替エネルギーが開発されるまで、石油は最重要のエネルギー源で、また重要な原料ですが、その残存量が心配されています。水分子の数倍の細孔が沢山空いたゼオライトという鉱物はアルコールをガソリンに変える(触媒)作用があります。そのアルコールを石炭、天然ガス、植物や、炭酸ガスと廃熱から作る研究、廃プラスチックから油を作る研究もされています。

この様に原料を望みの物に作り替えるには、原料の原子の位置を並べ直せば良いのですが、触媒はこれを行ってくれます。望みの物が作れるか否かは、触媒の良い悪いにかかっています。体の中の物の変換は、蛋白質でできた触媒(酵素)が行っています。触媒は微妙なもので、例えば金は不活性で触媒として働かないが、白金上に原子一層だけつけると働いたり、同じ白金でも結晶の切り方が違えば、働いたり働かなかったりします。なぜこんな差が起きるかは、触媒が原料の原子を組み替える時の、電子の働き方に還元でき、理論化学(量子化学)から分かります。またより良い触媒の設計もできます。

現在世界中で多くの人が餓死していますが、化学肥料や農薬は食糧問題を解決するための必要悪でしょう。蛋白質を作るには、空気中の窒素ガスを生物が使える肥料に変える必要があります。これは豆科植物と化学肥料で行われていますが、植物だけでは必要量の窒素を賄えません。出来る限り無害の肥料、農薬が必要です。理論化学はここでも重要な役割を担っています。

知的な材料設計

技術立国日本は、高度成長期後の現在、高付加価値の製品を効率よく、環境に負担をかけずに作ることを望まれています。今迄は望みの機能を持つ物を、莫大なエネルギーと時間を使い、試行錯誤で開発してきました。しかし私達は現在物の性質を支配する法則を知っており、試行錯誤することなく的確な設計が出来るようになりつつあります。医農薬と合金の開発例を見てみましょう。

一つの医農薬の開発には、十年の年月と百億円の研究費が必要で、二万個の化合物の薬効を調べる必要があります。以前は過去の経験に基づいた、試行錯誤の繰り返しにより行われましたが、開発の成否が企業の死命を制するため、現在では全企業が計算機を用いた薬物設計システムを持ち、開発の合理化を行っています。

図a: 偶然発見された抗うつ作用を持つ分子。rやxは置換基と呼ばれる、原子が決まった方法で結合した集団。置換基にはoh(水酸基)やch3(メチル基)等多くの種類がある。置換基により抗うつ作用が変わるので、理論(構造活性相関法)で最適なものを決める。
図b: 抗菌作用を持つ分子。置換基xの位置、数、種類により抗菌作用が変わる。

口から投与された薬は胃腸から吸収、輸送され、その後目的地で薬物受容体という蛋白質に結合し効果を生じ、その後分解、排泄されます。薬はちょうど鍵が鍵穴に入るように受容体に結合するので、受容体の構造が分かれば薬は設計できますが、殆どの受容体の構造は分かっていません。幸い受容体の構造が分からなくても、薬は設計できます。 薬物設計には薬効を持つ分子骨格の設計と、骨格上の原子集団(置換基)の選択、最適化の二段階があり、二段目の選択、最適化の段階では構造活性相関という方法が広く使われています。例えば偶然発見された抗うつ作用を持つ分子(図a)の置換基を変えた分子を作り、睡眠薬とともにマウスに与え、眠らずにいる量を調べると、物理的な性質である置換基の疎水性や電子吸引性を示す値と、簡単な一次関係となりました。また抗菌作用を持つ分子(図b)の置換基を変え活性を調べると、置換基の疎水性、大きさ、電子吸引性を示す値と、簡単な一次関係となりました。この結果最大の活性を持つ分子の構造が決まりました。

この様に医農薬の活性は、分子の物理化学的性質により支配されていて、薬の吸収輸送や作用機構が未知でも設計は可能です。現在では理論を用いて、受容体の構造から薬を設計したり、骨格自体の設計や、分子の構造から物理化学的性質を予想し、薬効の予想等が研究されています。

一つ一つの金属は目立った点は無いのに、混ぜ合わせると素晴らしい機能を示す事が有ります。例えばさびやすい鉄に、少量のニッケルとクロムという金属を加えると、さびないステンレスが出来ます。この様な合金は普通数種から数十種類の金属を混ぜて作られますが、その組成も以前は試行錯誤で決めていました。現在では種々の条件で安定な合金の組成を予想でき、これを使ってニッケル耐熱合金や、チタン合金が設計され、ジェットエンジンや工業プラントで使われています。

新しい情報処理システム

現代の情報社会と情報処理システムの進歩は、半導体の微細加工技術の進歩に支えられています。加工技術の進歩により、半導体中の基本素子が小さくなり、動作が速く、性能も良くなります。例えばインテル社のペンティアムという半導体は、四分の一ミクロンつまり水分子千個分の長さの単位で、ケイ素板が加工され、一千万個の基本素子を含んでいます。しかし加工技術の進歩による高性能化は、二十一世紀前半に限界に達すると言われています。半導体の基本素子の大きさが小さくなると、量子力学に由来する電子の波動性による雑音で、素子が動作しなくなるためです。そこでこの量子力学を積極的に使った、新しい動作原理の情報処理システムを作る必要があります。

新しい動作原理の基本素子として、単電子トランジスタ(図c)が研究されています。今迄の素子は十万個以上の電子を使って一動作しますが、これは一個の電子でも動作します。配線と点状電極はつながっていないので、電子にとってはこの間に障壁が有り、直観では二つの配線の間に電気は流れないと思われます。しかし配線から電極に飛び移るだけのエネルギーを持たない電子でも、量子力学による波動性の効果で、障壁を時々すり抜ける事が出来ます。これは裏口入学のように珍しい現象ではなく、どの電子もできる普遍的な能力です。電子は負の電気を帯び反発し合うので、電極に負の電気が少ない時だけ移る事ができ、多くなるともう一つの電極へ逃げたがります。そこでゲートにかかる電圧を変えると、それに応じて電極に正や負の電気が生じ、電子を一個ずつ左から右へ移すことができます。これを使い今迄のトランジスタと同じ働きをさせたり、電極中の電子の数を使って、記憶をさせる事もできます。

図c: 新しい電子素子(単電子トランジスタ)の構造。電子は配線-点状電極-配線間で流れるが、これはゲートの電圧で制御できる。電子は量子力学効果により、本当なら通れないトンネル接合をすり抜ける。素子は半導体で作られ、現在の十分の一程度の大きさになる。 図d: 提案された分子素子の 構造。電子は=-=-の結合に沿って配線間を流れるが、これは入力に注入した電子で制御できる。素子は現在の百分の一程度の大きさになる。 図e: 分子素子(光スイッチ)の 構造。電子は=-=-の結合に沿って配線間を流れるが、光があたると中央部の構造が変わり、電子は流れなくなる。

トンネル接合による単電子移動は、生物が光合成の反応中心等で既に利用しています。そこでは電極は一つの分子でできています。人間の作る情報処理素子も、最終的に個々の分子で作られるかもしれません。例えば図dの分子は入力に電子が入ると、図eの分子は光があたると構造が変わり、配線間に電気が流れなくなると言われています。分子素子と呼ばれるこれら基本素子は、現在の半導体素子の百分の一の大きさで、同じ体積に百万倍も多く入ります。我々の操作できる最小単位は原子なので、これらがもし実現できれば、究極の集積技術と呼べるでしょう。

理論化学、物性物理学は、全ての物を支配する根本的な法則(量子力学)に基づいて、物の性質を理解しようという基礎学問として始まりましたが、現在では多方面へ応用されつつあります。科学者の仕事は第一に真理の追究であり、その結果は学問だけでなく応用も進展させる、という科学者の信念が実証されるのを見るのは嬉しい事です。1998年のノーベル化学賞は二人の著名な理論化学者に与えられましたが、この分野の重要性が増しつつある証でしょう。理論化学はまだまだ多くの可能性を秘めています。