菅原 義之 早稲田大学先進理工学部・研究科に所属する教員の研究内容を紹介しています。

高校生時代の私にとって、100以上ある元素を自在に扱い、あらゆるモノを生み出せる（ように思えた）無機化学が魅力的に映りました。「モノづくり」という言葉すらなかった時代ですが、父が化学材料系の研究職に就いていたこともあり、研究が産業につながるイメージを掴みやすかったのです。第1次オイルショックの影響などで、電気や情報系学科の人気が高まりつつあった頃でしたが、「自然界に存在する元素を操る知識を学ぶんだ」、という強い気持ちで応用化学科に入学しました。

実際に様々な教科を学ぶ中で、ヒトの体・生体システムが本当に良くできていることを知り、生化学に強く惹かれましたが、その反面、「自然が作り出したシステムに太刀打ち出来るシステムを人間の手で作り出すことはできないのではないか？」という思いも強くなり、初志貫徹して、無機材料を作り出す無機化学を専門に選びました。

卒業研究では粘土鉱物を扱っていた加藤忠蔵先生（1992年退職、名誉教授）と黒田一幸先生の研究室に所属しました。粘土は、ケイ素やアルミニウム、酸素などを主要元素として構成されたシートが何層も折り重なった構造を持っています。この粘土層間に有機高分子(炭素、水素を含む分子が多数結合した分子)を導入（インターカレーション反応）、200度ぐらいで蒸し焼きにした後、超高温の窒素やアルゴンガス中で焼いて窒化物や炭化物と呼ばれるセラミックスを作る、というテーマを頂きました。セラミックスは、金属ではない無機材料の総称です。陶器や磁器もこの一種ですから、人類の歴史の中では長い付き合いの物質と言えます。当時、層間に高分子を導入する研究自体ほとんど報告されておらず、さらに高分子を炭素にした上で熱酸素還元反応に利用することは、全く新しい試みでした。例えば、酸化ケイ素SiO₂と炭素Cの粉を混ぜてセラミックスの一種である炭化ケイ素SiCを得る手法は従来から工業的に用いられていましたが、粉を混ぜて焼成するのでは接触面積が少なく、反応効率が悪かったのです。それならば、最初から粘土層間に炭素の”素（もと）”を導入しておけば、反応表面積が広くなり効率が上がるのではないか、というのが研究の発端でした。

1000度レベルで焼成することとは無縁の研究室でしたので、二学年上の先輩と二人で、電気炉を作るところから始めました。条件出しに悪戦苦闘しつつも、次第に結果が出るようになり、かつてない充実感に背中を押されて博士課程へ進学しました。層状物質自体を粘土から変えたり、その粘土層間に導入する高分子材料を新しくしてみたりと、ゼロから立ち上げた研究の幅を少しずつ広げていき、それらをまとめて博士号を取得することができました。

これまで、海外の研究室には2度ほど滞在しています。最初は博士号取得直後に博士研究員として受け入れていただいたマサチューセッツ工科大学(MIT) D. Seyferth先生（現、名誉教授）の研究室です。20通以上の手紙を世界中の研究室に送り、断られ続けた末にようやく決まった受入先でしたので、本当に嬉しかったことを覚えています。とはいえ、「応用化学でセラミックスを扱っていた」から採用されたのですが、有機金属化学に関して全くのド素人で、最初の1－2ヶ月はひたすら学ぶばかりでしたね。その上1年未満の滞在でしたので、余計に申し訳なく思っていますが、有機金属合成の手法を必死に学び得た経験は、現在の研究につながる重要な契機となりました。

2度目はサバティカル（在外研究制度）を利用して、1998年に仏モンペリエ第2大学のR. Corriu先生（現、名誉教授）を訪ねました。有機合成では一つの反応だけが起こることはめずらしく、必ず副反応が存在するため、分離手法も重要になってきます。Seyferth先生は比較的副反応の少ない反応を扱っていたため、あまり意識していませんでしたが、Corriu先生のところでは「合成した素材をあらかじめ単離してからさらに反応させ、材料を作製する」手法を学びました。また、フランス人はディスカッション好きです。ディスカッションを通して実験の意義を極限までクリアにしてから手をつける、というスタイルを学びました。一方で、日本人の多くは手を動かす中から活路を見出すことに慣れています。このフットワークの軽さに、ディスカッションの力が加われば鬼に金棒ではないでしょうか。ですから、私の研究室の学生には、ゼミで質問をすること、頻繁にディスカッションすることを意識づけしています。

大学での研究は、情報を統合する訓練と考えています。高校までの勉強では、質問に対して1：1で回答が存在します。覚えていること、理解していることを問われるわけですね。そのためか、学生が初めて研究発表の原稿を書くと「A結果からはa、B結果からはb、C結果からはcが分かる、以上」で終わってしまうことが往々にしてあります。社会では、得られた情報を統合して新しい解を構築する力が求められますから、卒業・修了する際にその学年に見合うだけの統合力をつけてもらいたい、と考えながらディスカッションや発表を指導しています。

写真 学生とディスカッションする菅原先生

応用化学科の教員になって27年経ちますが、実は現在のテーマに至ったのはほんの数年前で、その時々で夢中になって取り組んできた要素研究が、ようやく実を結びはじめた、という状況です。例えば、MITからの帰国直後から取り組んだのは酸化物高温超伝導体を探索するという、「化学」というよりもむしろ「固体物理」の研究でした。またもゼロから勉強し直し、試行錯誤しながら10年ほど携わった末、最後にたどりついた材料が層状ペロブスカイト型化合物でした。超伝導体としての性質を見出すことはできませんでしたが、転じて、現在ハイブリッド材料の無機成分として活用しているのです。

最近の研究のテーマは「層状ペロブスカイト型化合物のナノ層間に物質を導入して新機能材料を作り出す」という、卒業研究時代に立ち戻ったようなシンプルなものでしたが、導入する物質ごとに得られる性質は異なり、適応範囲は広大です。たとえば、アルコールや有機リン化合物であれば、グラフト反応によって層（シート）を表面修飾することができます。ここにリチウムLiイオンを導入することによって、電池の固体電解質に使えるLiイオン伝導材料になります。現在は、グラフト反応した後に層をバラバラにし（剥離）、得られるナノシートをポリマーに少量加え、ポリマーの特長を維持したまま新しい機能を付与する方向に研究を展開しています。

図 層状ペロブスカイト型化合物の可能性

無機化学、有機化学、有機金属化学、高分子化学、固体物理、電気（炉）、分析、計測…様々なテーマに携わり、その度に当該分野のエキスパート（熟練した研究者）とディスカッションして情報や知識を蓄えてきました。この経験こそが私の研究の根幹を成すものです。自分には全く関係ないな、と思うレベルも含めて、情報を集めたり、様々な研究者とディスカッションしていくと、ある時ピンとくるのです。これとこれを掛け合わせたら面白そうだな、良い機能が得られそうだな、と。ですから、ひとつひとつの技術は他にエキスパートがいるケースも多いのですが、それらを組み合わせる技術、合成した材料は間違いなく、私だからできることだと思っています。

ここ数年はナノ粒子にも展開しており、ナノ粒子やナノシートを様々な高分子と組み合わせ、優れたハイブリッド材料を作り出す、というフェーズにようやく入りました。今後はさらに精緻にナノ材料を扱い、試行錯誤しなくても、欲しい機能を持った材料を無駄なく構築する技術を磨いていきたいと考えています。

高校では無機化学と有機化学、全く異なる単元として習います。実際に、物質的にも取扱い手法的にも大きく違うことを身を持って知っていますが、だからこそ、両者の間に境界を設けずシームレスに考えられる共通言語のような学問を生みだしてみたいですね。ハイブリッドの概念からさらにもう一歩先に進むことで、見えてくるのではないかと期待しているところです。