東京工業大学 物質理工学院 材料系の合田義弘准教授、東京大学 大学院理学系研究科の岡林潤准教授、大阪大学 大学院基礎工学研究科の宇佐見喬政助教、浜屋宏平教授、同大学 大学院工学研究科の白土優准教授らの共同研究グループは、高いスピン偏極率^[用語1]を有するCo₂FeSiホイスラー合金磁石^[用語2]と優れた圧電性能を有するPb（Mg_1/3Nb_2/3）O₃-PbTiO₃（PMN-PT）の積層構造からなる界面マルチフェロイク構造^[用語3]における、巨大磁気電気結合効果（高効率な磁化方向変化）の起源を明らかにしました。

強磁性体（磁石）と圧電体^[用語4]の接合構造からなる界面マルチフェロイク構造は、図1（a）に示すように、電圧印加により磁化方向を制御することができるため、半導体不揮発メモリとして注目されている磁気抵抗メモリ（MRAM）などのスピントロニクスメモリデバイスの新規情報書き込み技術として期待されています。ごく最近、浜屋教授らは、強磁性体として高いスピン偏極率を有するCo系ホイスラー合金磁石の一つであるCo₂FeSiと、高い圧電性能を有するPMN-PTを組み合わせた界面マルチフェロイク構造を作製し、実用化の壁として存在していた10^-5 s/m台の磁気電気結合係数を世界で初めて実証しました（関連情報を参照）。しかし、これらの材料の組み合わせにおいて、なぜ高い性能（高効率な磁化方向変化）が実現したのか起源は明らかになっていませんでした。

今回、研究グループは、界面マルチフェロイク構造に電界を印加しながらX線磁気円二色性（XMCD）分光^[用語5]を測定する技術（オペランドXMCD分光）を用いることで、電圧印加による磁化方向に変化が生じる際に、Co₂FeSi中のFeの軌道磁気モーメント^[用語6]が顕著に変化することを実験的にXMCDスペクトルから捉えることに成功しました（図1（b））。さらに、この実験結果と第一原理計算^[用語7]による理論的な考察の結果、圧電体（PMN-PT）から生じるひずみがCo₂FeSi中のFeの軌道磁気モーメントを変化させることから、磁化方向が高効率に膜の面内にて変化することを明らかにしました。

近年IoT技術・AI技術がますます進展する中、半導体素子の消費電力が爆発的に増加することが予想されています。その中で本成果は、不揮発メモリ素子として期待されるMRAMを含む全てのスピントロニクス素子における低消費電力での磁化方向制御技術のための「界面マルチフェロイク材料」に関する基礎物理学の理解を進展させるとともに、軌道弾性からの同材料の設計指針を提示するものです。

スピントロニクス技術を利用した磁性メモリデバイスは、磁石の磁化の向き（N極とS極）を情報の「1」と「0」に対応付けて情報を不揮発に記録しています。そのため情報書き込み時に磁石の磁化方向をスイッチすることが必要となります。現在、磁化方向のスイッチの手法としては、記録素子に電流を印加する方式が主流となっています。しかし通電に伴うジュール熱によりエネルギー損失が大きく、情報書き込みのための消費エネルギーが大きいことが問題となっています。そこで電流印加方式と比較して消費電力の少ない電圧印加型の磁化方向制御技術の開発が進められています。とりわけ、強磁性体（磁石）と圧電体の2層から構成される界面マルチフェロイク構造を利用した技術は、材料の選択肢が多いことや室温を含む幅広い温度領域で動作が可能といった応用上のメリットを備えており、有望な技術として注目されています。

ごく最近、同研究グループは、強磁性体として高いスピン偏極率を有するCo系ホイスラー合金磁石の一つであるCo₂FeSiと、圧電体として高い性能を有するPMN-PTの組み合わせにより界面マルチフェロイク構造を作製し、磁化方向を効率よく制御できることを実証しました（2022年5月20日プレス発表済み)。しかしこれらの材料の組み合わせにおいて、なぜ高い性能が得られるのか、その起源は不明でした。

界面マルチフェロイク構造では、電圧を印加した際に圧電体層で生じる圧電ひずみが磁性層に伝播し、磁化方向を変調することが予想されます。そのため磁化方向制御の起源を明らかにするためには、磁性体層へひずみを印加した際に、磁性体の構成元素であるCoやFeの電子状態がどのように変化するのか、電子論的な「スピン」と「軌道」の観点から理解する必要があります。そこで研究チームは、電子軌道がつくる磁気モーメントを元素ごとに調べることが可能なXMCD分光測定に着目しました。研究グループのメンバーである東京大学岡林潤准教授は、これまで高エネルギー加速器研究機構放射光施設（KEK-PF）内のBL-7Aビームラインにおいて、測定試料に電圧を印加しながらXMCD分光測定が可能なオペランドXMCD分光の測定技術を確立してきました。この測定手法を用いて、正負の電圧を界面マルチフェロイク構造に印加した時の各スペクトルを測定し、スピン磁気モーメント^[用語8]と軌道磁気モーメントの変化を調査しました。その結果、電圧の切り替えにより磁化方向が変化する時、Co₂FeSi 中のFeのみ、軌道磁気モーメントが顕著に変化することを明らかにしました。さらに、この実験結果と第一原理計算による理論的な考察の結果、Feの軌道磁気モーメントの変化が、界面マルチフェロイク構造における電圧印加による磁化方向制御に重要な役割を担うことを明らかにしました。詳細な検討から、図2の状態密度の模式図のように、Coは完全スピン偏極した伝導電子を担い、Feは軌道磁気モーメントの変調を担うという、磁性層中の元素特有の役割が本研究によって初めて解明されました。

これまで、ひずみと磁化の関係は磁気弾性効果^[用語9]として現象論的に定式化されていましたが、今回の研究により、電子論的なミクロな議論を加えて、印加されるひずみによる軌道磁気モーメントの変化によって、磁性層の磁気異方性^[用語10]の変調を明瞭に説明できることが分かりました。本研究グループはこれを「軌道弾性効果」と名付けました。この発見は、固体物理学や磁性の教科書に付け加えられうる基礎事項となります。また、磁気異方性の操作に関する起源に迫るものであり、今後のスピントロニクスデバイス設計に向けた界面の電子状態の理解に指針を与えるものです。

界面マルチフェロイクス構造を利用した電圧印加による高効率な磁化方向制御技術は、スピントロニクスメモリデバイスにおける新規情報の書き込み技術として期待されています。今回、実用化の壁として存在していた10^-5 s/m台の磁気電気結合係数を既に実現しているCo₂FeSi/PMN-PT界面マルチフェロイクス構造において、高効率な磁化方向変調の起源について理解が進展しました。この成果は、界面マルチフェロイク材料の開発指針に関する重要な知見を提供するものであり、この知見に基づき材料探索を進めることで、より高い性能を有する界面マルチフェロイクス構造を見出すことができると考えています。

関連情報：世界最高性能のスピントロニクス界面マルチフェロイク構造を実証｜東工大ニュース

東京工業大学は、スペインのバスク大学と全学協定および授業料等不徴収協定を締結しました。

11月1日、バスク大学のエヴァ・フェレイラ学長一行が東工大を訪れ、本学からは益一哉学長、林宣宏副学長（国際連携担当）、科学技術創成研究院の細田秀樹教授、工学院 機械系の武田行生教授が一行を出迎えて懇談を行い、調印式を実施しました。

これまで本学は、科学技術創成研究院とバスク材料応用ナノ構造研究センター（BCMaterials^※）との間、また工学院、物質理工学院、環境・社会理工学院とバスク大学 工学部との間で、それぞれ部局間協定に基づく活動が行われてきましたが、協定が全学レベルに広がったことで、共同研究・学生交流がますます活性化すると見込まれます。

この協定に基づき相互に教員を派遣して教育・研究活動を行うことは、両大学にとって大きなメリットとなります。また授業料等不徴収協定に基づき１年以内の派遣交換留学が可能となり、学生にとっては留学先の選択肢が広がりました。

今まで本学はスペイン、スペイン語圏に全学協定および授業料等不徴収協定がありませんでしたが、今回のバスク大学との協定締結を機に、スペイン、スペイン語圏におけるさらなる国際連携が期待されます。

生命理工学院 生命理工学系 神谷真子教授

公益財団法人島津科学技術振興財団

2023年度島津奨励賞

12月6日

革新的バイオイメージングを実現する高精度化学プローブの開発

東京工業大学とNIMS（国立研究開発法人物質・材料研究機構）は、物質・材料分野における次世代を担う研究人材の育成を目指して、博士後期課程の教育・研究で強力に連携することを定めた協定書を締結しました。東工大の益一哉学長とNIMSの宝野和博理事長による協定書調印は、2024年1月11日に東工大大岡山キャンパスにて行われました。

本協定では、NIMSの研究者が東工大物質理工学院の連携特定教員として、副指導教員となる物質理工学院の教員とともに、博士後期課程入学から学位取得まで東工大の学生を主任指導します。また、本協定を通じてNIMSで研究を行う博士後期課程の学生は、NIMSの研究業務にも貢献するため、「NIMSジュニア研究員制度^[用語1]」に基づきNIMSが雇用します。

日本の科学技術研究開発力の低下を懸念する声が高まる中、次世代を担う研究人材の育成と確保は国家レベルの急務です。しかし、国内大学における博士後期課程進学者の数は2003年以降減少傾向にあり、日本における博士号取得者の数は、日本よりも総人口の少ない国であるドイツや英国における半分程度と低迷しているのが現状です。

以上の背景から、東工大とNIMSは、物質・材料分野における教育と研究で強力に連携し、新協定のもと、東工大—NIMS連携大学院制度^[用語2]を発足させます。そして、本制度を活用して東工大に入学する博士後期課程学生はNIMSジュニア研究員としてNIMSにおける研究経験を積みながら学位取得を目指します。これにより、日本が国際的に競争力を維持している材料科学分野の博士後期課程研究を活性化し、世界基準の次世代研究人材育成を目指します。

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の北口哲也准教授は、国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の松本健郎教授、王軍鋒研究員、前田英次郎准教授らの研究グループと理化学研究所 光量子工学研究センターの横田秀夫チームリーダーらと共同で、体中の組織の蛍光色が引張りに応じて変化するマウスの系統を新たに作製しました。

筋肉を鍛えると太く逞しくなるように、生物の組織、細胞、タンパク質は外界からの力から大きな影響を受けます。このような、力が生物に及ぼす影響を調べる分野をメカノバイオロジーと呼びますが、その発展には細胞やタンパク質に加わる力を安定的に可視化する方法が非常に重要です。そのために、従来「FRET型張力センサ」と呼ばれる、引張りによって蛍光色が変化するタンパク質を利用する方法が用いられてきました。しかし、このセンサの遺伝子を組み込んだマウスは、応答が十分でないために、観察には1億円近くする高価な顕微鏡（FILM^[用語5]）で精密に測定する必要がありました。

今回私たちは「FRET型張力センサ」の応答を改良し、その遺伝子を持つ遺伝子改変マウスの作出に成功しました。このマウスでは研究現場に広く普及している「共焦点顕微鏡」で張力変化を観察できることを、血管、腱、筋肉、それらから単離した細胞で確認しました。また、組織や細胞によって張力に対する感度が違うことを発見し、その原因は組織や細胞の微細構造の差や、組織ごとの機能の差によって生じる可能性があると結論づけました。

本研究で開発したマウスを使うことで、様々な組織や細胞内の張力変化に加え、発生、成長、老化の過程における応答の変化も簡便に調べられるため、幅広いメカノバイオロジー分野への貢献が期待されます。

本研究成果は、2023年12月20日付英科学雑誌『Scientific Reports』に掲載されました。

鍛えると私たちの筋肉が太く逞しくなることからも判るように、私たちの体の状態は外界から作用する力と密接な関係があります。この力は組織のような大きなレベルだけでなく、組織内部の細胞、更には細胞内部のタンパク質に対しても、その機能の発現や形態に大きな影響を与えることが明らかとなってきています。このような、力の生物に対する影響を調べる分野をメカノバイオロジーと呼びますが、組織内部の細胞に加わる力やタンパク質に加わる力を安定的に可視化する方法が非常に重要となります。

ところで、多くの細胞内部には「ストレス・ファイバー（SF）」という線維が走っています（図1上）。SFは筋肉の主要成分であるアクチンとミオシンから構成されており、筋肉のように張力を発生します。細胞の形態維持や移動分裂など、細胞の動きを司っており、力を察知するセンサの役割もあると言われています。このため、SFに作用する力を調べることがメカノバイオロジーにおける重要なテーマとなります。このSFに作用する力を可視化するために用いられているのが「FRET型張力センサ」（図1下）です。FRET型張力センサはFRET効果（図2）を利用したもので、引張りによって蛍光の色が変化するタンパク質です。私たちはこれをアクチニンと呼ばれるSFを束ねるタンパク質の途中に挿入したものを開発しました（Actinin-sstFRET-GR）。そして、このタンパク質の遺伝子を電気パルスで培養細胞内に導入し、SFに作用する力を可視化してきました。しかし、この方法で導入されるセンサは10個の細胞中3個ほどにしか入らず、入ったとしても、1週間もしないうちに分解されてしまいます。また、組織内の細胞には全く入りません。このため、組織から細胞に至る幅広い対象を長時間観察することは不可能でした。

図1.

細胞の構造と、私たちの開発した張力センサ。細胞内部にはストレス・ファイバー（SF)と呼ばれる線維が走っている。SFは筋肉の主成分であるアクチンとミオシンからできており、収縮力を発生する。SF内でアクチンフィラメントを束ねているアクチニンの中央部にEGFPとmCherryという2つの蛍光タンパク質をバネのようなタンパク質で繋いだ張力センサを組み込んだ。SFに力が加わるとアクチニンが斜めになって引張られ、EGFPとmCherryの間隔も広がる。こうすると張力センサのFRET効率が低下する（蛍光色の赤が弱まり、緑が強まる）ために張力の変化が判る。

図2.

FRETの原理。蛍光タンパク質EGFPは青色光を照射すると励起されて緑色蛍光を発する。一方、 mCherryは緑色光を照射すると赤色蛍光を発するが、青色光を照射しても何も起こらない。ところが、この2つの蛍光タンパク質を近づけると青色光により励起されたEGFPのエネルギーがmCherryに受け渡され、mCherryが赤色蛍光を発するようになる。従って、この緑色蛍光と赤色蛍光の強度比を測定すると両者の距離が判る。なお、エネルギーを与える側をドナー、受け取る側をアクセプタと呼ぶ。

細胞への遺伝子導入における問題点を解決するため、「FRET型張力センサ」の遺伝子をゲノムに組み込んだ遺伝子導入マウスが、2019年にカナダのグループによって開発されました。しかし、応答が十分でなく、FLIMという1億円近くするような高価な顕微鏡を用いないと観察できませんでした。そこで今回は、私たちが以前開発したActinin-sstFRET-GRを遺伝子導入したマウス（FRETマウス）の開発を進め、その作出に成功しました（図3）。そして、このマウスでは、一般に広く用いられている「共焦点顕微鏡」で張力変化を観察できる、即ち、組織を引張るとFRET比が低下することを、血管、腱、筋肉、あるいはそれらから単離した細胞で確認しました（図4）。また、それぞれの組織・細胞の張力に対する感度は血管壁では-0.68 (%FRET/%strain) であったのに対し、尾腱では-3.85、血管から単離した細胞では-1.54と、組織によって大きく異なる値を取ることを見出しました。そして、これらが組織や細胞の微細構造の差によるらしいこと、また、この違いが、それぞれの組織の機能の差で説明できることを示しました。

このマウスでは筋肉でも血管でも、SFを持つ細胞から構成される全ての組織、即ち、力と関係がある全ての組織が常にセンサを発現します。

図3.

センサの発現確認。FRETマウスの組織ではドナーEGFP、アクセプタmCherry、細胞核ともに光っており、合成画像でもそのことが判る。一方、野生型（通常マウス）では合成画像で見えるのは細胞核だけで、ドナーもアクセプタも観察されない。

図4.

引張りに対する感度の確認。大動脈試料を周方向に引張った際の輪切断面のFRET比（赤色蛍光強度／緑色蛍光強度）の変化を左下のFRET比の白い四角で囲われた領域で計測した。右のグラフでは引張り前のFRET比を100%として規格化して表してある。ひずみは左上の白線で囲われた細胞核間距離の変化から算出した。5例の試料とも、引張るとFRET比が低下、除荷すると上昇し、その傾きは大体同じで-0.63 (%FRET/%strain) 程度であった。

本研究で開発したマウスを使うことで、様々な組織や細胞内の張力変化を知ることができると同時に、種々の発生段階、成長段階、あるいは老化の過程でこの応答がどう変化していくのか調べることもできるため、幅広いメカノバイオロジー分野において様々な応用が期待されます。

東京工業大学科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの田口英樹教授と岡山大学学術研究院環境生命自然科学学域の茶谷悠平准教授の合同研究チームは、これまで不明だったタンパク質合成中断のメカニズムを解明しました。

生命を形作るタンパク質は、DNAの遺伝子配列をもとに、細胞内装置リボソームによって合成されます。リボソーム^[用語1]は遺伝子配列を途切れることなくアミノ酸へと変換、連結することで、タンパク質を合成（翻訳）します。しかし、負電荷に富むアミノ酸（アスパラギン酸、グルタミン酸）を立て続けに翻訳すると、一部のリボソームは合成を中断してしまうことが明らかにされていました。しかし、なぜ合成が中断されるのか、その分子メカニズムはこれまで不明でした。

研究チームは試験管内の再構成実験から、上記の問題解決に臨み、研究の結果、合成中断は通常とは異なるメカニズムで新生タンパク質がリボソームから切り離されるか、合成中には作用しないはずのリボソームリサイクル経路の働きによって引き起こされていることが明らかとなりました。また、合成中断は、タンパク質合成が滞りがちな栄養枯渇や高温などストレス条件で、より起こりやすくなることも示唆されました。

正確に遺伝子を発現させることは生命活動の大前提ですが、本研究からその障害となる異常反応の詳細なメカニズムが明らかとなり、より効率的なタンパク質発現を実現させる遺伝子設計、技術開発などが可能になると期待されます。

本研究は米国学術雑誌「Cell Reports」オンライン版に2023年12月9日に掲載されました。

生物の細胞を形作るタンパク質はヒトでは20,000種、より単純な生物と考えられる大腸菌でも4,000種とその種類は膨大です。また、20種類のアミノ酸から構成されるタンパク質の配列は、それぞれに固有であり、千差万別です。こうした配列の多様性は、細胞の中で起こっている複雑な生命現象を実現させるために欠かせませんが、翻ってタンパク質の合成を担う細胞内装置リボソームには、どのようなアミノ酸の組み合わせでも合成できることが求められます。しかし実際にはリボソームにも得手不得手があり、アスパラギン酸、グルタミン酸といった負電荷アミノ酸を連続して合成する途上で、一部のリボソームが合成を中断してしまうことが明らかになっていました。しかしこの合成中断がどのようなメカニズムで発生するか、その詳細はよくわかっていませんでした。

今回岡山大学と東京工業大学の合同研究チームは、試験管内で再構成されたタンパク質合成システムを用いて、上記の疑問解決に臨みました。その結果、合成中断はタンパク質合成が滞りがちな状況や高温などストレス条件で、より起こりやすくなることが明らかとなりました。研究チームは更に解析を進め、合成中断は2通りのメカニズムで発生することを突き止めました。1つ目は、タンパク質合成を終えたリボソームを大小のサブユニットに分離させ、新たなタンパク質合成に再利用（リサイクル）するためのリボソームリサイクル因子^[用語2]が、負電荷アミノ酸の合成中に偶発的に作用してしまうためだと分かりました。2つ目は、通常とは異なる翻訳終結因子Pthによって、本来の翻訳終結シグナル^[用語3]とは無関係に合成が中断されていることも明らかとなりました。

これら2つの経路は、いずれもタンパク質を合成する途上のリボソームには働かないと考えられていましたが、負電荷アミノ酸の翻訳にはその原則を無視させるリスクが伴っていることが明らかとなりました。

タンパク質合成の基本原則は大腸菌からヒトまで地球上の生命に共通しており、負電荷アミノ酸による合成中断も普遍的な生命現象であることが明らかにされています。本研究成果はその発生機序を明らかにし、これまでの遺伝子発現の原則だけでは説明できなかった疾患原因の解明や、効率的なタンパク質生産に繋がるものと期待されます。

東京工業大学 科学技術創成研究院 生体恒常性研究ユニットの松田隆志特任助教、野田昌晴特任教授らの研究グループは、生物の水分欲求および塩分欲求を一過性に抑制する2種類の神経細胞を発見し、その働きを初めて明らかにした。水分および塩分を摂取したとき、後脳にある外側腕傍核（LPBN）^[用語1]においてコレシストキニン（Cck）^[用語2]遺伝子を発現する2種類の神経細胞（Cckニューロン）が活性化すること、その結果、水分・塩分欲求が一過性に抑制されることが分かった。水分摂取に応答するCckニューロンの集団は正中視索前核（MnPO）の抑制性神経細胞（GABAニューロン）^[用語3]の活動を、塩分摂取に応答する集団は腹側分界条床核（vBNST）のGABAニューロンの活動を、それぞれ一過性に活性化していることが分かった。

本研究グループでは、これまでに脳弓下器官（SFO）において体液の状態に応じて水分および塩分欲求の制御をつかさどる神経細胞（水ニューロン^[用語4]および塩ニューロン^[用語5]）を同定し、体液状態に応じてこれらの神経細胞が制御される詳細な仕組みを報告していた^{[参考文献1、2]}。SFOの水ニューロンはSFO内のCckニューロンによって制御されること^{[参考文献3]}、また、水ニューロンはMnPOに、塩ニューロンはvBNSTに連絡していることを明らかにしていた^{[参考文献2]}。今回の研究成果と併せて、水分欲求および塩分欲求の制御をつかさどるシグナルは、それぞれMnPOおよびvBNSTで集約・統合されること、SFOとLPBNからのシグナルは協調的に水分欲求を抑制していることが分かった。本研究成果は、生物が体液状態を生理的レベルに保つための仕組み（体液恒常性の維持機構）を明らかにしたものであり、水中毒や多飲症、食塩感受性高血圧症などの過剰な水分摂取や塩分摂取により誘発される疾患の発症機序解明に貢献するものと期待される。

本研究成果は米国の科学誌「Cell Reports（セル リポーツ）」に12月28日付けでオンライン掲載された。

ヒトを含む脊椎動物において、水分や塩分の摂取を適切に制御することは生命維持にとって非常に重要である。過剰な水分摂取や塩分摂取はさまざまな疾患の原因となり、脳を含む多くの臓器に致命的な障害を発生させる。脳は、基本的に体液中の水分や塩分の過不足を感知して、水分欲求や塩分欲求を制御している。これに加えて、水分や塩分を摂取した際に、摂取の情報は舌や消化器官で感知され、吸収されて体液状態が変化する前に一時的に更なる摂取を抑制制御する仕組みを備えている。しかしながら、その詳細なメカニズムは明らかになっていなかった。

後脳にある外側腕傍核（LPBN）はさまざまな種類の遺伝子を発現している神経細胞で構成されており、末梢と中枢（脳）の情報伝達に関わる「中継地点」の役割を果たしている。すなわち、末梢から中枢への味覚や食欲、体温、痛覚、心肺機能、呼吸などに関わる情報伝達が、LPBNの神経細胞を介して行われている。これまでに、LPBNにおけるCckニューロンの一部は摂食制御や体温調節に関わることが知られていたが、水分摂取や塩分摂取の制御に関与しているか、また関与しているとしても、どのような仕組みで関与しているのかという点については分かっていなかった。

本研究では、まず遺伝子改変マウス（Cck -Creマウス）とアデノ随伴性ウイルスベクター^[用語6]を組み合わせてLPBNのCckニューロンを標識した。次に、さまざまな体液状態におけるCckニューロンの活動を神経細胞の活性化マーカーであるFosを指標にして解析した。Fosの発現の増加から、LPBNにおいて主に背側および外側に存在するCckニューロン（興奮性神経細胞の1つ）が水分摂取や塩分摂取に応じて活性化してくることが分かった。

次に、生きたマウスの脳内で、in vivoカルシウムイメージング^[用語7]によって水分摂取時や塩分摂取時におけるLPBNのCckニューロンの活動を経時的に観察した。その結果、LPBNのCckニューロンの中には、水分摂取のみに応答する集団（Group A）と塩分摂取のみに応答する集団（Group B）、さらに、いずれにも応答しない集団（Group C）が存在することを発見した（図1）。Group Aの活動は水分摂取開始から約25秒で最大になる一方で、Group Bの活動は塩分摂取開始から約5秒で最大になることが分かった。この時間差の生じる原因は、水分摂取のシグナルが消化管から伝達されるのに対し、塩分摂取のシグナルは舌の味覚として伝達されることに起因していると考えられる。実際に、舌の塩味の受容体である上皮性ナトリウムチャネル（ENaC）の機能を阻害剤で抑制したところ、塩分摂取時におけるGroup BのCckニューロンの活動が抑制された。

次に、Cckニューロンから脳内にどのような経路で水分・塩分摂取に関する情報が伝達されているのか明らかにするために、Cckニューロンを標識してその神経軸索が投射している領域を探索した。その結果、正中視索前核（MnPO）につながるCckニューロンの集団（LPBN^Cck→MnPOニューロン）および腹側分界条床核（vBNST）に連絡しているCckニューロンの集団（LPBN^Cck→vBNSTニューロン）がいずれもLPBNの背側領域にあることを見出した。オプトジェネティクス^[用語8]の技術を用いて、LPBN^Cck→MnPOニューロンを活性化したところ、水分摂取が選択的に抑制されることが分かった。同様にLPBN^Cck→vBNSTニューロンを活性化したところ、塩分摂取が選択的に抑制された（図2）。以前の研究成果^{[参考文献2]}と合わせて、脳弓下器官（SFO）の水分欲求を制御するシグナルとLPBNの水分欲求を抑制するシグナルは、どちらもMnPOに伝達されており、SFOの塩分欲求を制御するシグナルとLPBNの塩分欲求を抑制するシグナルは、いずれもvBNSTに伝達されていることが明らかになった。

さらに、オプトジェネティクスとin vivoカルシウムイメージングを組み合わせて用いることによって、LPBN^Cck→MnPOニューロンあるいはLPBN^Cck→vBNSTニューロンはいずれもGABAニューロンに連絡しており、それらのGABAニューロンの活性化は水分摂取あるいは塩分摂取に応答することを明らかにした（図3）。また、オプトジェネティクス技術を用いてMnPOおよびvBNSTのGABAニューロンを人為的に活性化したところ、水分摂取および塩分摂取が抑制され、その抑制効果は、LPBNのそれぞれのCckニューロンを活性化した時と同程度であったことから、LPBN^Cck→MnPOニューロンおよびLPBN^Cck→vBNSTニューロンはGABAニューロンの活性化を介して、水分摂取および塩分摂取を制御していると推定された（図3）。

最後に、化学遺伝学的手法^[用語9]を用いて、脱水状態においてSFOのCCKニューロンとLPBNのCckニューロンの活動を同時に抑制したところ、一方のCckニューロンだけを抑制した時よりも水分摂取量が有意に増加した。この結果は、SFOのCCKニューロンとLPBNのCckニューロンが水分摂取の抑制に協調的に機能していることを示している。

今回の水分摂取および塩分摂取行動を制御する脳内機構の解明は、神経科学や生理学分野における重要な発見というだけでなく、多飲症や食塩の過剰摂取、食塩感受性高血圧症など水分および塩分摂取の異常により誘発される疾患の発症機序の解明および治療・予防法の確立にも貢献する知見であるといえる。

体液恒常性をつかさどる神経機構は生命維持において必須の機能であるが、いまだに多くの仕組みが未解明である。今後、MnPOやvBNSTに集積する水分摂取あるいは塩分摂取の誘導と抑制のシグナルが、どのような仕組みで統合されているのか明らかにする必要がある。

「Tokyo Tech Bulletin（トーキョー テック ブリテン）」は、東京工業大学の研究成果やニュース記事、学生の活動などを紹介し国内外へ広く配信する英文メールニュースです。この度、Tokyo Tech Bulletin No. 72 が発行されました。

メールでの配信をご希望の方は申込フォームからご登録ください。

January 1, 2024 marks my sixth and final New Year's celebration as the president of Tokyo Tech. Soon after I assumed my position in April 2018, I proposed to the community the Tokyo Tech Commitments, which I believed would guide us to a brighter future. The students, faculty, and staff of the Institute seemed to welcome these commitments ― appreciating diversity, embracing collaborative challenges, and taking decisive action ― in many of their activities and, despite the various hurdles that were thrust before them, continued to create and innovate together with the broader community.

On September 14, 2015, the American gravitational-wave observatory LIGO observed gravitational waves for the first time in history. Professor Teruaki Suyama of the Department of Physics, School of Science, specializes in "modern cosmology," and is conducting theoretical research based on gravitational waves to unravel the fundamental mysteries of the universe, such as the nature of black holes that formed in the early universe and of dark matter, which is believed to make up the majority of the universe.

Today the Diet passed an act to partially amend the National University Corporation Act, including the establishment of National University Corporation Institute of Science Tokyo, by integrating National University Corporation Tokyo Institute of Technology and National University Corporation Tokyo Medical and Dental University.

With the advance of technologies such as autonomous driving and smart grids, increasing importance is being placed on cyber-physical systems that use information and communication technology (ICT) in cyberspace to optimally control devices in physical space. Amidst these developments, Professor Hideaki Ishii (Department of Computer Science, School of Computing) is leading the field in research on control theory related to cyber-physical systems.

Taking on next-generation health care based on his experience as a student entrepreneur, researcher, and exchange student.
Based on the belief that craftsmanship can save people, Dr. Yoshinori Mizuguchi, who conducted research at Tokyo Tech and is currently the CFO of Metagen, is at the forefront of gut environment research at the company. He looked back on his seven years of intense research, as well as the dual challenge of starting his own business while he was a student. He also talked about the invaluable experiences that have made him who he is today.

• Novel Organic Light-Emitting Diode with Ultralow Turn-on Voltage for Blue Emission | Tokyo Tech News

東京工業大学 環境・社会理工学院 融合理工学系の高木泰士教授らは、自己発電型可動式防潮堤に関する研究成果を発表した。

今後40年以内の発生確率が90%と予測されている南海トラフ地震による津波、気候変動により巨大化が懸念される台風による高潮など、日本の港は沿岸域災害のリスクが高い地域に立地している。本研究では、日本の生命線とも言える港を津波や高潮から守るとともに、未来に渡って予測可能な「潮位差エネルギー」を利用して、沿岸域防災と潮位差発電を同時に実現する画期的な防潮堤システムを提案した。本研究は、東京工業大学、株式会社ワールド設計（沖縄）、協同エンジニアリング株式会社（大分）、オリエンタル白石株式会社（東京）、株式会社センク21（東京）、中外テクノス株式会社（広島）、日本防蝕工業株式会社（東京）、株式会社ネポクコンサルタント（神奈川）、八千代エンジニヤリング株式会社（東京）、株式会社テクノシステム（島根）らで構成される「潮位差エネルギーの利用による港の活性化研究会」による成果である。

本研究成果は11月6日（現地時間）付けで国際学術専門誌「Renewable Energy」に掲載された。

近い将来に予想される地震・津波、および気候変動に伴い激甚化が懸念されている台風・高潮災害への対策として、可動式防潮堤の技術が注目されつつある。2020年12月には国内初となる海底設置型フラップゲート式防潮堤^[用語1]が岩手県大船渡市に、2022年3月には同種のゲートが兵庫県南あわじ市に設置された。2024年元日に石川県能登地方で発生した令和6年能登半島地震（マグニチュード7.6）では、直後に津波が発生し、多くの港で船の転覆や流出、陸地への乗り上げなど大きな被害が発生した。可動式防潮堤は、このような港に押し寄せる津波を食い止め、停泊する船や建物、物揚・加工施設、そこで働く人々、あるいはその背後地域で暮らす人々を守るために設置される。

可動式防潮堤には、常時は海底面下にゲートを格納でき、船の出入りや潮の流れを阻害せず、上空に巨大な梁が架かる通常の水門のように視界や景観、船の高さの妨げにもならず、他の工法に比べると地権者交渉など建設に係る調整コストが小さいなど、非常に数多くの優れたメリットがある。しかしながら、技術的な難易度が高く、建設コストも高価になりがちで、過去の実績も少ないため、導入の機運は必ずしも高いという訳ではない。本研究のメンバーらは地震の衝撃や液状化にも耐え、港口を閉鎖することで津波の港内への浸入を防ぐ構造として、ニューマチックケーソン工法^[用語2]による基礎をもつ可動式防潮堤の研究開発を行ってきた（図1）。

ニューマチックケーソン基礎の内部にはスペースが設けられており、海底面下に防潮ゲートを格納することが可能である（図1の8に図示）。地震発生時にはウィンチを解除することで、ゲートは浮力を得て無動力で浮上し、短時間で港口を閉鎖することができる。一方で、ゲートを海底面下に再び引き下げる際には動力が必要となるため、地震等で停電が発生してしまうとウィンチを動かすことができず、港の再開に支障を及ぼす懸念があった。

そこで本研究では、可動式防潮堤により生み出される港の内外での局所的な潮位差エネルギーを動力源として活用することを考えた。フランスや韓国など干満の差が大きい一部の国・地域では、大規模な潮位差発電施設がすでに稼働している。しかし、四方を海に囲まれながら、干満の差が比較的小さい日本では潮位差発電の事例はこれまで存在しなかった。無限の再生可能エネルギーである潮位差エネルギーをほとんど利用できていない状況を少しでも克服するため、発電したエネルギーの港の後背地への供給ポテンシャルについても検討した。

本研究では、可動式防潮堤の設置により既存の港に大きな津波・高潮シェルターとしての役割をもたせ、同時に港内外の潮位差を活かして潮位差発電を行う自己発電型可動式防潮堤のコンセプトを提案するとともに、干満の差が比較的小さい日本でも実現可能か検討した。

港の利用と潮位差発電を両立するため、夜間のみ港を閉鎖し、その間に発電を行うシナリオを検討した（図2a, b）。この際、生み出される電力が可動式防潮堤自体の作動電力として十分か、港の後背地への電力供給が可能か、大潮だけでなく小潮時にも発電可能か、といった観点に立ち実現性を検討した。

広い港では出入口の幅が100 m以上にもなるため、一基のゲートのみで港を閉鎖することができず、複数のゲートを延長線上に配置する必要性が出てくる。ゲート同士が接触せず作動するためにはある程度の隙間を設ける必要があるが、この空間を発電タービンの設置場所として有効利用することを考えた。しかし、この隙間は津波の進入路にもなるため、本来は出来る限り小さい方がよく、海水流入率や施工性、地震による地盤の変形などを考慮した最小幅の空間にタービンを設置する案について検討した（図2c）。

以下に、発表論文における具体的な成果を示す。

1.

計算式に潮位差発電に関係する変数を入力することで、可動式防潮堤で閉鎖された港の発電電力量（発電量）ポテンシャルを予測できる発電量試算モデルを提案した。任意の潮位差や潮汐パターン、港の広さ、深さ、港口の幅、ゲートの設置数、タービンの設置数、水車の大きさ、パワー係数^[用語3]などに対して、発電量の時間的変化を計算することができる。天文潮位は将来にわたってかなり正確に予測できるため、何年何月何日の何時にどの程度の発電が可能か細かく試算することができる。これにより中長期的な経済性を個別の港レベルで検討することができるようになる（図3）。

2.

港の地域的な分布や数などを考慮の上、最終的に全国56の港を選定し、潮位差発電ポテンシャルを試算した（図4）。発電ポテンシャルは港によってばらつきが顕著だが、全般的に東日本よりも西日本で大きく、日本海側よりも太平洋側で大きいことがわかった。また、夜間8時間で500 kWh以上発電できる港は小潮時にはないが、大潮時には1,000 kWhを超える港があることなどがわかった。

3.

可動式防潮堤を外部電源に頼らない独立的なシステムにするためには、最低限ゲート作動のための電力を自己発電する必要がある。56港のうち23港でその発電ポテンシャルがあることがわかった（図5）。また、ゲート作動用の電力以外は余剰電力として港の後背地に供給可能と考えることができる。余剰電力が特に大きな港では大潮時の夜間8時間における発電量が1,000 kWh以上にもなると試算され、地域で停電が発生した際などに貴重な電源として活用が期待できる。

4.

2. で述べた通り、特に西日本の太平洋側で発電ポテンシャルが高いという試算結果が示された。西日本に位置する港には日本経済の大動脈である臨海工業地帯を支えている港が少なくないが、同時に津波や高潮による災害リスクが高い地域でもある。特に南海トラフ地震は近い将来に発生が予測されている災害の中でも最大級の災害だが、自己発電型可動式防潮堤の実現性が比較的高い23港のうち、20港が南海トラフ地震により2 m以上の津波が予測されている地域に位置していることがわかった（図6）。したがって、自己発電型可動式防潮堤は南海トラフ地震の対策のひとつとしても検討することができる。

5.

全国56港の全データに対して統計解析を行ったところ、数ある影響要素のうち、潮位振幅と港内面積が特に発電量に影響を及ぼす要素であることがわかった。そのため、この2要素をもとに自己発電型可動式防潮堤の実現性を簡易的・予備的に判定できる図を提示した（図7）。

6.

発電タービンを複数台配置する場合、水車背後に生じる後流という流れの振動が隣接タービンの発電出力を低下させてしまう懸念がある。本提案方式の場合、隙間の鉛直方向にタービンを複数配置することで後流による相互干渉を防ぎ、効率的な発電が可能であることを3次元数値流体解析により明らかにした（図8）。

本研究の取り組みは、有望な技術でありながらもなかなか弾みが付かない可動式防潮堤に、潮位差発電という再生可能エネルギーの利用価値を付加することで普及を後押しする狙いもある。また、潮位差発電を行うため夜間に港を閉めれば、その時間帯の津波や高潮対策にもなり、日常的に稼働させることで、いざという時にも不安なく可動式防潮堤を起動できるなど、防災上の大きなメリットもある。夜間だけでなく、盆休みや年末年始など、比較的長い間港を使わない期間に発生する津波や高潮の対策にもなる。また、災害などにより停電が発生した場合でも、港を臨時の潮位差発電所にできれば、緊急的な電力を孤立した地域に供給するような役割も期待できる。

世界を見渡しても海面上昇や地盤沈下、海岸侵食などにより、津波や高潮、高波など災害リスクは年々高まっており、沿岸域を持続的に守っていくためには、より一層効果的・効率的な防災技術が求められている。本提案を実現するためには、数々の技術的課題を解決し、実証試験等を通じて機能を明らかにしていく必要があるが、日本の過酷な災害条件で技術を着実に発展させることができれば、日本発の「発電もできる画期的な防災技術」として将来海外に輸出展開できる日が来るものと期待される。また、日本の場合、全国津々浦々に非常に数多くの港が整備されてきたが、今後さらに少子高齢化が進み、実質的に遊休状態の港が増えてくると予想される。このような既存のインフラ財産を今後有効に活用する方策の一つとしても、可動式防潮堤による潮位差発電のシステムを提案していきたい。

東京工業大学 科学技術創成研究院 ゼロカーボンエネルギー研究所の石塚知香子助教、千葉敏教授（研究当時。現名誉教授、株式会社NAT・NATリサーチセンター長）、同 環境・社会理工学院 融合理工学系の佐々木華蓮大学院生（研究当時）らの研究チームは、原子炉内で核分裂によって発生する1,000種類にわたる核分裂生成物^[用語1]のβ崩壊^[用語2]により炉外に放出される反電子ニュートリノ^[用語3]（以下、ニュートリノ）のスペクトルデータを理論計算により整備し、原子炉内での生成消滅計算と組み合わせることで、原子炉の運転状態（稼働中かどうか）のみならず、原子炉内のウランとプルトニウムの組成比を検知することが可能であることを見出し、新たな核査察の手法として提案した。

地球温暖化に対する危機意識の高まりや世界情勢の不安定化により、燃料調達が世界的に困難となる中で、ゼロカーボンエネルギー源としての原子力に対する再評価が進んでいる。原子力では安全性が再優先されるとともに、未申告の燃料交換などによって核兵器の材料が生成されないようにする必要がある。保障措置^[用語4]の手段、すなわち原子炉が申告通りに運転・燃料交換を行っているかどうかを検認するための核査察は、通常は運転後に行われることが多い。それに対し今回は、原子炉運転中に発生し炉外に放出されるニュートリノの数またはエネルギースペクトルを炉外で測定することにより、稼働中に原子炉内の燃料組成についての情報を得られることが分かった。これにより原子炉内部の情報をリアルタイムかつ非破壊かつ遠隔監視により得ることが可能となった。

本研究成果は、東京工業大学 科学技術創成研究院 ゼロカーボンエネルギー研究所の石塚知香子助教と千葉敏名誉教授、佐々木華蓮大学院生（2023年3月末修士課程修了）、山野直樹研究員、東京都市大学の吉田正名誉教授によって行われ、2023年11月24日付の「Journal of Nuclear Science and Technology」に掲載された。

明確化してきた地球温暖化問題と国際情勢変化を背景とした化石燃料調達の不安定化に伴い、安定したゼロカーボンエネルギー源としての原子力エネルギー（核エネルギー）に対する再評価が進んでいる。原子力発電では安全性が最優先事項とされ、さらに核不拡散に対する対策も必須となる。また原子炉では運転に伴い核分裂生成物が蓄積し、核分裂生成物の放射能に起因して発生するニュートリノは、これまで原子炉の稼働状態のモニタリングに用いられてきた。本研究では、このニュートリノを原子炉内の核燃料物質の組成に関する知識を得る手段として積極的に利用する新規の保障措置の手法を提案した。特に、リアルタイムで原子炉内の核燃料物質組成に関する情報を収集可能であることが分かった。これにより、原子炉運転主体は未申告のまま核物質を移動して核兵器製造への転用を行うことが困難となり、核不拡散をより確実なものにできる。

原子炉内で核燃料物質が中性子を吸収し核分裂する際には、巨大なエネルギーに加えて1,000種類にわたるさまざまな核分裂生成物が放出される。核分裂生成物のほとんどは放射能を有する原子核であり、主として複数回のβ崩壊を経て安定核に向けて崩壊していく。どのような核分裂生成物ができるかは核分裂をする核種によって異なるため、β崩壊により放出される粒子の数やエネルギースペクトルに微妙な違いがあり、それを基に核分裂を引き起こした核種の種類を同定することが可能となる。

本研究では、一つ一つの核分裂生成物が放出するニュートリノのエネルギースペクトルを大局的理論^[用語5]により系統的に求め、データベースを作成した。これら個々の核種のエネルギースペクトルと核分裂生成物の分布の総和計算^[用語6]を行うことで、全体として放出されるニュートリノのエネルギースペクトルなどを求め、^235,238U（ウラン）、^239,241Pu（プルトニウム）の中性子核分裂により発生する実験データと比較した。その結果、総和ニュートリノエネルギースペクトルが実験値をよく再現できることを確認した（図2）。

図2.

²³⁵Uが熱中性子により核分裂した際に生成される核分裂生成物からのニュートリノのエネルギースペクトル。△印がその全ての和に対する実験値であり、図中に膨大な数の線で示されるのが一つ一つの核分裂生成物のスペクトルの理論値である。これらを足し上げたものが緑の実線であり、幅広いエネルギーにわたって△で示される実験値とよく合致していることが分かる。

次に、これらのニュートリノは原子炉内でほとんど反応せず、ほぼ全量が炉外に放出されることに着目し、炉外に出たニュートリノの検出を試みた。ニュートリノ検出器を用いて、逆β崩壊（IBD）反応^[用語7]により検出される場合のエネルギースペクトルを調査したところ、スペクトルが核種に依存することが分かった。また、あるしきいエネルギー以下のニュートリノが全体に対して占める割合が、しきいエネルギーを4 MeVとする場合に核種ごとの差が最大となることを発見した。そこでこの割合を「R4指標」と新たに定義し、実機データ（美浜三号機）の運転条件を模した計算との比較を行った。その結果、燃料組成の変化と「R4指標」の時間変化に強い相関があることが分かり、「R4指標」により原子炉内の核種組成に関する情報をリアルタイムに得られることが明らかになった（図3）。すなわち、これまで提案されてきた原子炉の運転状態（運転中か停止中か）の監視だけでなく、運転中の原子炉内の燃料組成をリアルタイムかつ遠隔測定により監視可能であることが分かった。

この方法を用いることで、原子炉が申告通りに運転されていることや、原子炉停止中に未申告の燃料交換をしていないことの検認を行うことが可能となり、新規の保障措置、すなわち核不拡散検認手法として活用できる。

図3.

美浜3 号機の燃料組成と出力を用いて400 日運転・60 日停止のサイクルでの運転を仮定した場合の（上）燃焼日数（横軸）と燃焼度（青線、右縦軸）、Pu fissile^[用語8]の²³⁵U に対する割合（赤線、左縦軸）との関係；（下）燃焼日数（横軸）とIBD 反応により検出される反電子ニュートリノ数（青線、右縦軸）、「R4指標」（エネルギー4 MeV 以下の反電子ニュートリノの割合）（赤線、左縦軸）との関係。上のパネルより、燃焼（原子炉の運転）に伴って燃焼度（青線、1トン当たりの燃料が放出したエネルギー）と共に、²³⁸Uの中性子捕獲によりPu が生成されるためにPu fissileの²³⁵U に対する割合（赤線）は増加していく様子が見て取れる。また下のパネルからは、「R4指標」（赤線）が運転中は増加し、停止中は限りなく1に近づく一方、IBD 反応により検出される反電子ニュートリノの数（青線）は運転に伴うPuの蓄積により減少し、さらに停止中はその値が2桁以上も小さくなることが見て取れる。

今後、増加していくことが予想される原子力利用において、未申告の核物質移動や核兵器製造への転用を防ぐことができ、核兵器の拡散を未然に防止することが可能となる。各国家における、適正な核燃料運用がなされているかを評価することにもつながるため、世界における安全保障の実現にも寄与する研究成果と言える。

最新核データライブラリに基づく原子炉ニュートリノのエネルギースペクトル形状はよく再現できているものの、Pu同位体では絶対値として計算値と実測値の間に20%程度の差があった。今後は、Pu同位体のニュートリノ生成データにおいて値に差が生じる原因の究明により定量性を高めていく。また、原子炉の初期燃料組成がMOXなど、複数の核燃料物質を含む複雑な場合は燃料組成とニュートリノエネルギースペクトルとの関連が弱いため、本手法のさらなる精緻化を行う。

東京工業大学 科学技術創成研究院 量子航法研究ユニットの笹田真人特任助教が参加する国際研究チーム「イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）・コラボレーション」は、史上初の撮影に成功した楕円銀河M87の巨大ブラックホールについて新たな観測画像を公開しました。今回公開された画像は、初撮影が行われた2017年4月の観測から約1年後の2018年4月に観測されたものです。2018年の観測では新たにグリーンランド望遠鏡がネットワークに参加し、またデータ記録速度が向上したことでM87ブラックホールの新たな姿が明らかとなりました。1年後の画像では、2017年に観測されたものと同じ大きさのリング構造が確認されました。この明るいリングに縁取られた中央の暗い部分が、まさに一般相対性理論から予言されている「ブラックホールシャドウ」の存在を裏付けています。一方で、リングの最も明るい場所は角度にして約30度異なっており、ブラックホール周辺の物質が乱流状に振る舞っていることを示唆しています。本研究成果は、2024年1月18日付で欧州の天文学専門誌「Astronomy and Astrophysics」に掲載されました。

「自然科学の探求には、独立した観測による事象の再現が不可欠です。」本研究プロジェクト代表の一人でグリーンランド望遠鏡計画のプロジェクトサイエンティストを務める台湾中央研究院 天文及天文物理学研究所の浅田圭一副研究員はこのように述べています。「完全に新しいデータでもリングの再現性を確認できたことはEHTにとって大きなマイルストーンでした。これはブラックホールシャドウ周辺の物質からの光を見ていることを強く示すものです。」

EHTは2017年にブラックホールの初撮影を行い、2019年4月にその画像を公開しました。撮影された巨大ブラックホールは、地球からおよそ5,500万光年彼方にあるおとめ座銀河団の楕円銀河M87の中心にあります。初撮影されたブラックホールの画像では、時計の6時の方向が最も明るいリング構造が捉えられました。

この観測によりブラックホールを視覚的に捉える新時代が幕をあけ、M87ブラックホールの周りにリングが見えることやその形から一般相対性理論の検証が可能となりました。一方で、リングの細かい明るさの分布には、ブラックホールの周りを取り巻く物質の乱流構造が反映され、1年後には大きく変わりうると理論的に予想されていました。年を経てM87を再度観測することで、一般相対論的効果で安定して現れるリングと、周辺で変動する複雑なガスの構造を区別して調べることができるのです。

「2017年4月から灼熱の台湾、標高4,000 m超のハワイマウナケア山頂、極寒極夜のグリーンランドと世界各地で行われたグリーンランド望遠鏡の立ち上げ試験に参加しました。観測データを解析し画像を得る以前にも、望遠鏡の建設、観測装置の作成や試験、観測運用といった多くのステップがあることを目の当たりにしました。世界中の仲間が積み重ねた一つ一つのステップが今回の成果に繋がっており、とても誇らしく思います。」とEHT科学諮問委員会副議長を務める新潟大学大学院 自然科学研究科の小山翔子助教は語っています。

初撮影に次ぐ新たな科学目標を達成するために、EHTは拡張を続けています。本観測には2017年末に北極圏内に新たに建設されたグリーンランド望遠鏡が初めて加わりました。EHTの観測ネットワークの最北端に位置するグリーンランド望遠鏡が参加することで画像の質が大幅に向上しました。メキシコにある口径50 mのLMT望遠鏡も、その巨大な鏡面全体で観測が可能になったことで感度が高くなりました。また、データ記録速度が2倍向上したことで観測される周波数帯が2つから4つに増え、1日の観測でも独立した4つのデータで結果を検証できるようになりました。

巨大ブラックホールの存在をより確かなものとし、初撮影の結果を裏付ける上でも、繰り返し観測を行うことは不可欠でした。EHTはその科学的重要性だけでなく、技術的難易度の高いミリ波・サブミリ波電波干渉計のために開発された最先端技術の実証を行う場としての役割も果たしています。

「私たちは電波望遠鏡の空白地帯であった北緯76度という北極圏に建設を進めました。アルマ望遠鏡と約9,000 kmの距離を結ぶことによって、南北方向の最も詳細なデータを得ることができました。」とグリーンランド望遠鏡計画の代表を務める台湾中央研究院天文及天文物理研究所の松下聡樹 研究員は述べています。「これに加え、他のEHT望遠鏡群とのデータからリングの形や明るさの非対称性をより正確に決められるようになり、今回の結果に多大な貢献をしました。」

今回の新しいデータ解析には、M87ブラックホールの初撮影に使用された手法に加えて、天の川銀河中心ブラックホールの画像化を元に新たに開発された手法を含む、合計8つの独立した手法が用いられました。

その結果、初撮影時と同じ大きさの明るいリング状の構造が確認されました。中心部は暗く、リングの片側が明るいという特徴も共通しています。M87ブラックホールの質量と距離は数年の間ではほとんど変化しないため、リングの直径も変化しないことが一般相対性理論から予測されています。2017年と2018年で同じ大きさのリング状構造が見られたことは、M87ブラックホール周辺の時空構造が一般相対性理論によって記述されていることを強く支持するものです。

「一般相対性理論によると、リングの見かけの大きさはブラックホールの質量とブラックホールまでの距離のみに依存します。M87ブラックホールに物質が降着するスピードは遅く、質量の変化はほとんどありません。ブラックホールまでの距離も変化しないので、リングの大きさが一年後も変わっていないことはまさに一般相対性理論の予言通りの結果です。」と小藤由太郎氏（東京大学大学院理学系研究科 博士課程在学）は述べています。

一方で興味深い変化も確認されました。2017年の画像ではリングの最も明るい場所が6時の方向にありましたが、2018年の画像では約30度異なる5時の方向にありました。これはブラックホール周辺の物質による乱流状の振る舞いが影響していると考えられ、2017年と2018年でリングの細かい明るさの分布は大きく変化しうると理論的に予想されていました。変化したとはいえ両者の画像の明るい場所が似ていることも重要です。明るい場所が南側であることは、理論的にブラックホールの回転軸がほぼ東西方向であることを示唆しています。そしてそれはブラックホールから離れたところで主にセンチ波帯で観測されているジェットの方向と近いことがわかりました。

「今回の成果はブラックホールの自転によりジェットが駆動されている可能性にまた一歩近づいたと言えます。」と八戸工業高等専門学校総合科学教育科の中村雅徳教授は述べています。「2010年より日本人研究者達が中心となって進めたグリーンランド望遠鏡計画が結実し、本成果に貢献できたことは光栄です。」

これまで発表されたEHTの論文は全て2017年の観測に基づくものでしたが、今回の結果は2018年以降に取得したデータに関する初の成果となります。2017年と2018年に加えて、2021年、2022年にも観測が行われています。2024年前半にも観測を予定しています。EHTは観測の度に新しい望遠鏡を加え、観測周波数を増やすことで、性能を向上させています。現在も国際共同研究の元で新しい観測やデータ解析、結果の考察が進められており、今後もますます多くの研究成果が見込まれています。

EHT日本チームの代表である本間希樹 国立天文台教授・水沢VLBI観測所所長は、「今回の成果は、2017年のEHTの結果を確認したことに加え、時間変動の研究の重要性を明らかにしました。ブラックホール周辺で起きる時間変動現象の理解には、今後のEHTの観測継続に加えて、その視力を向上させる衛星計画（EHE）へと展開することが鍵となります。また、東アジアVLBI網等によるジェット観測との連携もさらに重要となっていくことでしょう。」とコメントしています。

物質理工学院 応用化学系 小西玄一准教授

公益社団法人有機合成化学協会

令和5年度（2023年）企業冠賞「富士フイルム･機能性材料化学賞」

12月12日

機能性有機蛍光色素の合成とデバイスおよび分子イメージングへの応用

環境・社会理工学院 土木・環境工学系 河瀬理貴助教

一般社団法人システム科学研究所

第19回米谷・佐佐木賞（学位論文部門）

11月6日

災害時における人道支援物流に関する最適化の数理

東京工業大学の小田原修名誉教授が、2023年度日本マイクログラビティ応用学会 学会賞を受賞しました。
日本マイクログラビティ応用学会（JASMA）が、10月26日に開催した学術講演会において発表しました。

小田原修名誉教授

日本マイクログラビティ応用学会

2023年度日本マイクログラビティ応用学会 学会賞

10月26日

11月9日、東京工業大学のHisao & Hiroko Taki Plaza（ヒサオ・アンド・ヒロコ・タキ・プラザ：以下Taki Plaza）地下2階イベントスペースと大階段において、「生きる」－大川小学校 津波裁判を闘った人たち－のフィルム上映会が開催されました。

本上映会は、復興支援や防災活動などに取り組む東工大学生ボランティアグループ（以下、東工大VG）が企画運営を担い、リベラルアーツ研究教育院と共催で行われました。本学の学生やその家族、教職員、地域住民など総勢113人（本学学生38人、教職員28人、その他学外の人など47人）が来場し、映画を通して東日本大震災を思い起こし、改めて防災について考え直す機会となりました。

このドキュメンタリー映画は、東日本大震災の津波で多数の犠牲者^※が出た大川小学校（宮城県石巻市）の遺族たちが、「なぜわが子が学校で最期を迎えたのか」の事実と理由を知るために闘った10年間の記録です。
※全校児童の7割に相当する74人の児童（うち4人は未だ行方不明）と10人の教職員

東工大VGが本上映会を企画した背景には、震災から12年以上が経過し記憶が風化しつつあることが懸念される中、大川小学校で起きた一連の出来事の「実際」を知るとともに、参加者一人ひとりに防災・減災について考える機会を提供することで、学内外の防災意識の向上と、その波及効果を期待する思いがありました。

上映前には、司会を務める東工大VGメンバーの松尾祥汰さんから上映会の趣旨と東工大VGの活動について簡単な説明がありました。さらに、「石巻市立大川小学校国家賠償等請求に係る訴訟」において原告遺族代理人を務めた齋藤雅弘弁護士から、遺族の思いと裁判の流れ、映画の製作背景と意図について話がありました。この登壇は、上映会開催を知った齋藤弁護士自身からの申し出を受けて実現したものです。「同情ではなく共感してほしい」という齋藤弁護士の言葉には、「齋藤弁護士の話を聞いてから映画を観られたのが良かった」という感想が多く寄せられました。

会場内には閉会後も残って来場者アンケートに記入する人や齋藤弁護士と話をする人の姿が見られ、このドキュメンタリー映画を通して、防災だけでなく、教育や裁判など社会のさまざまな側面、組織や人としての在り方などについて考えを巡らせる有意義な時間になりました。

学生支援センター未来人材育成部門所属の学生団体で、東日本大震災の津波で流された写真を洗浄する活動をきっかけに誕生し、復興支援・防災活動・地域連携を軸に、学内外でさまざまなボランティア活動を展開しています。具体的な活動としては、工大祭およびホームカミングデイでの被災地復興支援物産展、学内防災訓練の補助、こども食堂、教科書・参考書の寄付・譲渡の仲介（古本市）などがあります。週1回Taki Plazaにてランチミーティングを行い、現在は被災地訪問スタディツアーなどを計画しています。

11月15日、東京工業大学留学生会（以下、TISA）が運営する「2023年秋のウェルカムパーティー」が、学生支援課協力のもとHisao & Hiroko Taki Plaza（ヒサオ・アンド・ヒロコ・タキ・プラザ：以下、Taki Plaza）において開催され、新入生、在学生、教職員、ボランティアなど世界40ヵ国以上から約200人が参加しました。

パーティーが始まると、参加者はテーブルに用意されたさまざまなボードゲームやカードゲームを自由に楽しみながら交流を深めました。中でも「ベンチプレスで100キロを持ちあげられる人」「飛行機の操縦ライセンスを持っている人」など、質問内容に当てはまる人を会場内から見つけ出してサインをもらう「ネームビンゴ」は、ゲームを進める上で会話の材料が提供されるため、参加者同士が打ち解けるのに役立ちました。

その後、東工大と世界に関するクイズセッションを2つのラウンドに分け、参加者全員で行いました。クイズ終了間際には益一哉学長と蔵前工業会の前村事務局長も参加し、新留学生にユーモアあふれる歓迎スピーチと温かいメッセージを贈りました。また、Taki Plazaの階段を使った益学長を囲んでの記念撮影は、貴重な思い出となりました。

また大学生協からは、アレルギーや食材制限を考慮したハラールやベジタリアンメニューなどさまざまな料理が用意され、ゲームや食事を楽しんだウェルカムパーティーは大盛況のうちに閉幕しました。

ゲームや世界各国の留学生たちと交流を楽しんだ日本人学生たちからは、一人ひとりが交流しやすいように配慮したTISAメンバーへ感謝する声もあり、留学生からは、グローバルな友人を作る手助けをしてくれたことで、大学生活がより良いものになったという感想が出ました。またイベントボランティアからは、パーティーの成功に貢献したことに誇りを感じ、企画から当日の盛り上がりを感じるまでの全過程を楽しめたという声がありました。今後も、学生同士の交流が深まるTISAのイベントに期待する声が多数寄せられました。

東京工業大学博物館は2023年11月12日、大岡山キャンパス百年記念館で、中学生以上を対象とした科学教室「魔法の繊維ナノファイバーを知る体験学習」を開催しました。このイベントは理科教育振興支援「ものつくり人材の裾野拡大支援プロジェクト」の後援を受けています。

本講座は、東工大最先端の研究が基となって商品化に成功したナノファイバーについて体験的に学習し、私たちの生活を支える材料として、今後の可能性を考えるきっかけとなるよう企画され、午前の部と午後の部を合わせて22人が参加しました。

講師を務める東工大の谷岡明彦名誉教授は高分子ナノファイバー分野の第一人者であり、量産への道を開いた東工大発ベンチャーの株式会社Zetta、および株式会社３CFにおいてナノファイバー製品の開発に携わっています。

講座は、ナノファイバーを知るための4種類の実験（ナノファイバーマスクの分解、空気を通し水は通さないことを確かめる実験、油の吸収実験、墨汁のろ過実験）から始まりました。学生スタッフのアドバイスを受けながら行った実験でナノファイバーが持つ優れた性質に触れた後、いまだ科学的に明らかにされていないナノの世界とナノファイバーの特性、製造・活用方法について、谷岡名誉教授から解説がありました。

ナノファイバーは、マスク、防寒着、建築材料、電磁波遮蔽（しゃへい）材、グリース・トラップなど既にさまざまな分野で活用されていますが、海水を真水に変える技術など、これからの開発についても学べる機会となりました。

東京工業大学 理学院 地球惑星科学系の尾﨑和海准教授と東京大学の渡辺泰士客員共同研究員（現：気象庁気象研究所リサーチアソシエイト）らの研究チームは、生命発生に有利な惑星環境とされる、一酸化炭素（CO）に富んだ惑星大気が形成される条件を理論的に明らかにした。

一酸化炭素に富む大気（CO大気）は、生命の前駆物質となる有機化合物が形成されやすく、生命発生に有利とされる。実際に地球の初期大気では、COが暴走的に生成されて蓄積する「CO暴走^[用語1]」状態が存在しうることが知られている。しかし、このCO暴走状態が発生し、CO大気が形成される条件はこれまで不明だった。

本研究では、太陽型星周りの地球型惑星を対象に、大気中炭素種（CO₂、CO、CH₄）の存在量を明らかにするための理論的研究を行い、CO大気の形成条件を明らかにした。具体的には、大気光化学に関する理論モデルを用いて、大気CO₂濃度や火成活動の強弱、気候状態、中心星スペクトルについての系統的なシミュレーションを実施し、CO暴走状態に至る条件を詳しく調べた。その結果、CO大気は若い太陽型星周りのハビタブルゾーン^[用語2]の外縁に位置する惑星で最も形成されやすいことが分かった。

今回の研究成果により、惑星のハビタビリティ^[用語3]を、液体の水（海）の存在だけでなく、惑星の気候状態や、生命の前駆物質の生成に密接に関係する炭素の存在量や存在形態といった、より踏み込んだ視点からも議論できるようになった。生命発生に有利な惑星環境がどういった条件で形成されうるのかを定量的に示したことで、将来のバイオシグネチャー^[用語4]探査計画にも貢献する重要な研究成果といえる。

本研究成果は、1月11日付の「The Astrophysical Journal」誌に掲載された。

1995年に初めて発見された太陽系外惑星^[用語5]（以下、系外惑星）は、これまでに5,500個以上の存在が確認されている。これに伴い、惑星科学分野の関心は、系外惑星に生命が存在できるか否かを示す「ハビタビリティ」の検討や、生命存否の指標となる「バイオシグネチャー」の探査へと移行しつつある。これまで惑星のハビタビリティは、主に惑星表面に液体の水（海）が存在できるかどうかに基づいて議論されてきた。液体の水が存在できる条件は中心星からの空間的距離によって決まっており、その条件を満たす領域はハビタブルゾーンと呼ばれている。ハビタブルゾーン内にある系外惑星はこれまでに数十個発見されている。しかし、惑星がハビタブルゾーン内に存在しているからといって、その惑星のハビタビリティや生命の存在が保証されるわけではない。なぜなら、惑星のハビタビリティは液体の水の存在のみならず、大気組成や気候状態、生物活動に必要な元素の存在量など、さまざまな要因によっても左右されると考えられるためである。

この視点で考えると、惑星での炭素の存在量と存在形態は非常に重要である。炭素は地球上の生物にとって必須であるだけでなく、二酸化炭素（CO₂）やメタン（CH₄）などの温室効果ガスとして大気中に存在することで、惑星の気候状態や生物地球化学的な物質循環にも支配的な影響を及ぼしている。また一酸化炭素（CO）は、微生物の有効な炭素源かつエネルギー源となるため、生命の発生や初期進化を理解する上で極めて重要な分子である。そのため、これらの炭素種（CO₂、CO、CH₄）の大気中の存在量比を支配する要因を理解することは、太陽系外のハビタブル惑星を探索する上で重要である。

地球の初期大気はCO₂と窒素分子N₂に富むものであったと考えられている。しかしこれまでの理論研究から、COが大気中で暴走的に生成されて蓄積する、「CO暴走」と呼ばれる状態が存在することが知られている（図1）。重要な点として、CO₂に富む大気よりもCOに富む大気の方が生命の前駆物質となる有機化合物が形成されやすいため、CO暴走状態の理解は地球生命の起源を探る上でも重要な手がかりとなる可能性がある。しかし大気がCO暴走状態に至る条件はこれまで明らかになっていなかった。

図1.

初期地球など還元的な大気海洋系でのCO収支の概略図。COは主に紫外線によるCO₂の光解離で生成される。一方、COの消費はOHラジカルによる酸化で起こる。OHラジカルは水の光解離反応によって供給されるため、水の光解離速度を上回ってCO生成が生じる条件では、大気中にCOが一方的に蓄積する「CO暴走状態」に陥ると考えられている。

研究チームはまず初期地球大気について、大気中のさまざまな分子の間の化学反応をシミュレーションできる理論モデルAtmosを用いて、CO₂、CO、CH₄の大気中の存在量比の多様性、とりわけ生命の起源に有利であるとされるCOに富む大気が形成される条件を詳細に調べた。その結果、大気中CO₂濃度が高い条件ほど、対流圏での水蒸気の光解離反応に比べてCO₂の光解離反応が促進され、CO生成速度が水蒸気の光解離速度を超える段階でCO暴走が発生することが明らかになった。また、火山からの還元的なガス（H₂やCO、CH₄など）の流入フラックスが大きいほど、大気中のOHラジカルが消費されるため、CO暴走が発生しやすくなることも分かった。

本研究により明らかになったCO大気の形成条件は、初期地球における大気CO₂分圧や火山からの還元的なガスの供給速度の推定範囲内である（図2）。特に生命発生前夜の約40億年前の初期地球で、火成活動による還元ガスの供給速度が現在の10倍以上であった場合には、CO暴走状態にあった可能性が明らかになった。さらにCO大気からは、大量のCOや有機物が海洋へと供給されることも分かった。

図2.

40億年前の初期地球大気における一酸化炭素分圧 pCO（左）とメタン分圧 pCH₄（右）のシミュレーション結果。横軸は火成活動による還元的なガス（H₂やCH₄）の流入フラックスであり、縦軸は大気中二酸化炭素分圧pCO₂である。図中の灰色線はCO暴走の発生条件を示しており、これよりも右上の領域ではCOを高濃度に含む大気が形成されている（左図の赤い領域）。水色のバーは当時の地球で想定されるパラメータ範囲を表す。

さらに研究チームは、（1）現在の太陽（G型星）、（2）太陽に似た恒星であるうしかい座シグマ星（σBootis）（F型星）、（3）エリダヌス座イプシロン星（εEridani）（K型星）を周回する、生命の存在しない仮想的な地球型惑星の大気についても、初期地球大気と同様のシミュレーションを実施した。その結果、表面温度が太陽よりも低いエリダヌス座イプシロン星のような恒星の周りの系外惑星では、CO暴走が引き起こされやすいことが分かった。一方、表面温度が太陽よりも高いうしかい座シグマ星のような恒星の周りの系外惑星では、CO暴走が引き起こされにくいことが明らかになった。これは、中心星の紫外線照射フラックスの違いに起因した水蒸気の光解離速度の違いによって説明できる。

炭素循環の理論的枠組みに基づくと、大気中CO₂濃度は中心星からのエネルギーフラックスが小さい場合ほど高くなると予想される。主系列星の光度は時間とともに増大するため、より若い太陽型星周りのハビタブルゾーンの外縁に位置する惑星ほど大気中CO₂濃度は高くCO暴走が発生しやすいといえる。

さらに還元的な惑星大気では、CH₄/CO₂とCO/CO₂のパラメータ空間がCO暴走に起因するギャップ構造によって大きく二分されることも明らかになった（図3）。このギャップ構造は、太陽型星（F、G、K型星）を周回する地球型惑星に一般的な特徴であり、将来の系外惑星大気組成のデータ蓄積によって検証可能な重要な理論的予測である。

図3.

（a）初期地球および（b）現在の太陽（G型星）、（c）うしかい座シグマ星（σ Bootis）（F型星）、（d）エリダヌス座イプシロン星（ε Eridani）（K型星）を周回する、生命の存在しない仮想的な惑星の大気のCO/CO₂比とCH₄/CO₂の比の関係。惑星の大気組成は、左側のCO暴走が発生していない状態と右側のCO暴走状態で大きく二分され、その間の状態はほとんど存在しない。

初期地球環境を明らかにすることは、「生命は地球上でいつどのように誕生したのか」、「宇宙には地球以外に生命を宿す星があるのか」といった根源的問題に密接に関係している。この問題に対して、生命の前駆物質を生成しやすいCOに富む大気の形成条件という、従来考えられてこなかった観点から初期地球環境の制約を行ったことは、生命起源の研究に大きな波及効果があると考えられる。また、CO大気が形成される条件をさまざまなパラメータについて系統的に明らかにした本研究成果は、将来のハビタブル惑星探査において候補天体を絞り込むための重要な情報となる。

これまでの室内実験に基づく研究から、CO大気条件下ではアルデヒドやペプチドなどの有機物やアミノ酸の生成が促進されることが明らかになっていた。本研究成果は、CO大気が形成される条件では、大気中のみならず海洋中でも生命起源物質が生成される可能性を示している。今後は、本研究で得られた海洋への一酸化炭素などの分子の流入速度の推定を用いて、初期地球の海洋で引き起こされる化学反応についての研究が大きく進むと期待される。

また、本研究成果は初期地球大気のみならず、過去の火星大気についても示唆を与える。火星探査機Curiosityの火星表面での探査によって、火星に存在する有機物中に、CO暴走が過去に発生していたことを示唆する著しい炭素同位体比の負異常があることが報告されている。本研究で得られた初期地球でのCO暴走大気の形成条件の検討をもとに、CO暴走大気を引き起こしうる過去の火星の大気組成を推定すれば、火星大気進化史への理解の進展にもつながる。

本研究ではうしかい座シグマ星とエリダヌス座イプシロン星を周回する仮想的な系外惑星について検討を行ったが、こうした太陽に近い表面温度を持つ恒星の周りの地球型惑星の大気組成は、将来の直接撮像計画によって実際に観測されることが期待される。本研究で得られた、ギャップ構造を持つ惑星大気の分布が観測によって裏付けられれば、ハビタブル惑星探査にも重要な意味を持つ。

このように本研究成果は、初期地球環境の解明や地球における生命の起源のみならず、生命の存在する惑星や、生命の発生に適した惑星を発見する上で重要な知見を与えるものである。

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の猿渡悠生大学院生と小西玄一准教授、大阪公立大学大学院工学研究科 物質化学生命系専攻の竹内雅人准教授らの研究チームは、光・電子機能を有する棒状の有機π電子系分子^[用語1]に、カルボン酸とアミンの脱水縮合によって形成される「アミド結合」を導入することにより、100℃程度で液晶相が発現する超分子液晶^[用語2]の作製に成功した。さらに、この超分子液晶を、その秩序構造を保持したまま大面積に塗布する技術も開発した。これまで、水素結合などの強い分子間の相互作用を用いた超分子液晶が知られていたが、このような水素結合性超分子液晶は結合に方向性があるため、得られる構造が限定的であった。そのため、近年では有機半導体^[用語3]によるデバイス製作を指向して、より分子配列の自由度が高い液晶材料が求められてきた。

本研究チームは、棒状分子とアミド結合を組み合わせたL字型分子が液晶を形成することを発見した。構造解析を行ったところ、2つのL字型分子が二量体となり秩序構造を形成することが分かった。さらに、固体ではアミド結合の構造がシス型に固定されているが、液晶を示す温度以上ではアミド結合構造のシス-トランス異性化が起こることで柔軟性が付与され、液晶相が発現することが分かった。加えて、この分子は固体・液晶のいずれの状態でも二量体の性質に起因する強い蛍光を示し、かつ、大面積に塗布できる性質を有することも確認できた。この分子間の強い相関は、有機電界トランジスタなどにおいて重要な性質であり、この新たな超分子液晶を用いた簡便な電子デバイス開発など、新たな有機エレクトロニクスの開発につながるものと期待できる。

本研究成果は、凝集体の科学を扱う専門誌「アグリゲート（Aggregate、インパクトファクター18.8）」のオンライン版で1月23日（現地時間）に公開された。

液晶とは、固体と液体の中間にある状態である。結晶のような分子の配列と液体のような流動性を兼ね備えていることから、液晶状態で、分子を簡単に大面積で規則性をもって配列させることが可能である。このような特徴から、シェークスピアの戯曲になぞらえて、液晶は、分子の「じゃじゃ馬ならし」と呼ばれることもある。

液晶材料は生活の中で幅広く利用されており、液晶ディスプレイや光学フィルムなど、「光を操る技術」「電場や磁場による刺激応答性」といった液晶固有の機能を活かした用途が知られている。液晶のもう１つの重要な用途として「高分子加工」がある。たとえば、防弾チョッキや航空機備品に使われるアラミド樹脂は、液晶状態で高分子を配列させた状態で紡糸することにより、同じ重量の鋼鉄の5倍の強度を実現している。近年、この液晶の分子を配列させる技術が、有機半導体開発において、実用的な電子デバイス製作の切り札として期待を集めている。

しかし、液晶や結晶の構造はさまざまな熱力学的なパラメーターに支配されており、分子設計の段階でその構造を予測することが難しく、欲しい物性・機能を得るために必要な分子の配列は「試してみないと分からない」ことがボトルネックとなっていた。その打開策の1つとして、あらかじめ2つ以上の分子を会合させて（超分子）、そのブロックから液晶構造（秩序構造）を構築する「超分子液晶」の利用が行われてきた。ただし、過去に報告されている超分子液晶の多くは、水素結合のような強い相互作用と結合の方向性を持つものに限られており、構造の多様性が十分とは言えなかった。そこで、非水素結合系の新しい超分子による「超分子液晶」の開発の重要性が指摘されるようになってきた。

研究グループは、超分子液晶の新しい可能性を探るために、これまで棒状液晶に利用されることの少なかった極性官能基を探索し、極性官能基が示す分子間相互作用を利用した秩序構造の形成と液晶性の発現を目指した。その中で、電子吸引性によりπ電子系分子に光・電子機能を付与することができ、シス型、トランス型の異なるコンフォメーションを持つ3級アミド（図1）に着目した。そして、さまざまな長さの棒状の分子骨格の末端に3級アミドを導入したＬ字形状の分子を合成し、フェニルトラン骨格を有するPTA-group（図1）が、秩序性の高い液晶（スメクチックB相）を示すことを発見した。

得られた液晶の構造解析を行ったところ、液晶の広角X線回折測定と単結晶のX線構造解析から、固体状態から液体状態でL字型分子が共有結合を介さずに超分子的に二量体（2分子で会合したユニット）を形成し、それらが六方晶状に配列していることが分かった。しかし、液晶と結晶ではユニット間の距離や六方晶の長軸の長さに違いが見られた。そこで温度可変赤外分光法を用いてアミド結合を観察したところ、固体状態ではシス型であるが、液晶状態ではシス型とトランス型が共存しており、シス-トランス異性化が常時起こっていることが分かった。これらの結果と量子化学計算から、L字型分子の二量体が秩序構造（結晶形）を構築し、アミド結合がシス-トランス異性化を起すことで系全体に運動性を付与して液晶性を発現することが明らかとなった。（図2）

最後にPTA-groupの物性や機能を探索した。一般にπ電子系分子の蛍光発光において、分子がスタックすると蛍光強度が大きく減少する場合が多いが、PTA-groupの二量体とその集合体は、消光を起さず高い量子収率（54%）を示した。この結果は、π電子系分子の固体発光材料や電子材料への応用を期待させるものである。また、PTA-groupの１つはネマチック相を発現し、高い複屈折率（Δn = 0.30）を示した。このような高複屈折材料としての特徴を持つPTA-groupは、光学フィルムとして有用であると考えられる。

本研究では、棒状分子に3級アミドを加えてL字状に結合させることにより、光・電子機能を有する棒状有機π電子分子を作製し、その機能を維持した状態でマクロスケールに配列させる新しい手法の開発に成功した。しかし、依然として有機結晶や液晶の配列を分子設計の段階で予測することは困難であり、欲しい物性・機能を示す分子集合体の設計にはまだ道半ばである。今回の非水素結合系の超分子液晶のように液晶の多様性を拡張することは、有機エレクトロニクスの実装に向けて重要である。

研究グループでは、3級アミドの特性を生かした超分子液晶を基盤として、さまざまなπ電子系分子を用いた機能開発を行うとともに、より高次な構造の構築や新しい超分子液晶のシステムを追究していく。

東京工業大学は11月22日、2023年度の「東工大特別賞」表彰式を大岡山キャンパスで行いました。

この表彰は、多年にわたって研究教育の円滑な推進に寄与し、大学への貢献が顕著、かつ勤務成績が優秀と認められる大学職員に対して行われるものです。表彰式では、益一哉学長より受賞者に表彰状が授与されました。