金属有機構造体（MOF）、化学の新たな奇跡の材料

2018年9月20日 Krissy Eliot | California Magazine 金属有機構造体（MOF）は、温室効果ガスを含む様々な物質を捕捉したり、ナノサイズの薬物キャリアとして使用されたりするように設計できる革新的な新しい結晶性固体です。また、砂漠の空気から水を採取することもできます。 一部で「奇跡の材料」と呼ばれるMOFの主な特徴は、その空隙の多さです。科学文献ではしばしば「超高多孔性」と表現されるスポンジ状のナノ構造体は、既知の材料の中で最大の内部表面積を持っています。広げると、1グラムのMOFでサッカー場を覆うことができます。 MOFや、共有結合性有機構造体（COF）、ゼオライトイミダゾラート構造体（ZIF）などの他の新しい化学構造体は、そのパイオニアであるバークレーの化学者Omar Yaghi氏（カリフォルニア大学バークレー校とローレンス・バークレー国立研究所に所属）が命名した「レティキュラー化学」という分野から生まれました。 写真：Marcus Hanschen, UC Berkeley Yaghi教授と彼のバークレーチームは最近、極度に乾燥した空気から水を採取できるMOFを作成したことで注目を集めました。MOFは一晩で水分子を捕捉し、翌朝に水蒸気として放出します。その後、飲料水として凝縮されます。1ポンドのMOF粉末は、12時間ごとに約1.3リットルの水を収集します。さらに良いことに、このシステムは太陽エネルギーだけで動作し、MOFは再利用可能です。このプロセスは毎晩繰り返すことができます。 Yaghi氏によると、この技術は非常にスケーラブルです。「1キログラム（MOF）を使用することも、村に水を供給するために100キログラムを使用することもできます。1000キログラムを使用することもできます！それは外に置かれて…水を採取しているでしょう。」 Yaghi氏と彼のチームは2014年にジルコニウム金属とアジピン酸を結合させてH2Oに結合する構造を作成した際に、水採取用MOFを発想しました。その後、MITのエンジニアと協力して採取装置を設計しました。現在、Yaghi氏と彼のチームは企業と協力して技術の商業化を進めており、水がますます希少で争奪される資源となっている地域の人々に届けたいと熱望しています。 Yaghi氏は20年前に、ガスや液体をより良く貯蔵するために金属と有機分子を組み合わせようとして、レティキュラー化学を先駆しました。Yaghi氏の説明によると、科学者たちは何十年も同様の化学構造体を合成しようとしてきましたが、ほとんどの場合、崩壊していました。彼とアリゾナ州立大学のチームは、構造的に堅牢なより大きなクラスターを作成することに成功しました。それ以来、この分野は指数関数的に成長しました。現在、MOFは20,000種類以上あり、その用途は数え切れないほどあります。 「私たちは、これまで作られたことのない化学構造体を、これまでにない数と多様性で作成しました」とYaghi氏は言います。「そして今、それらはエネルギーと環境のさまざまな応用分野に広がっています。」 炭素回収はその代表例です。MOFは、石炭火力発電所の排ガスが大気中に到達する前にCO2を採取するために使用でき、地球温暖化の緩和に役立ちます。また、農薬をより安全かつ効果的に供給するためにも使用できます。そして、医療研究者は、生分解性のMOFを使用して、化学療法薬を直接がん細胞に運んでいます。 Yaghi氏は昨年Berkeley Newsに、MOFの次のステップは、それらをより普及させ、その可能性について人々に知らせることだと語りました。「世界中でMOFを使用して調査されている多くの大きな問題があります。残っているのは、実際に社会に役立つように、これらの大規模な展開です。」 Yaghi氏の研究は、ウルフ賞（2018年）、アルバート・アインシュタイン世界科学賞（2017年）、ファイサル国王国際賞（2015年）など、数々の賞を受賞しています。ノーベル賞の候補にも挙がっています。これらはすべて、彼の初期の野心とはかけ離れたものです。「私が（化学の分野に）最初に足を踏み入れたとき、社会の問題を解決しようとしたわけではありません。実際、一人にしておいてほしかったのです。」 Krissy Eliotは、金属有機構造体が音楽フェスティバルでなかったことに少しがっかりしました。California Magazineの「Fall 2018 Culture Shift」号より。