91亚色

金は金色ではない？クロロフィルは緑ではない？世界はこれまで见てきたものとは本当は违う色をしているのでしょうか。ナノレベルの世界で色素を研究されている安达先生は今は色素で水素を作る研究をされているそうです。色素の持ついろいろな可能性を话していただきました。

インタビュアー（以下、イ）：今回のインタビューは化学科の安达健太先生です。よろしくお愿いします。

安达健太先生（以下、安）：よろしくお愿いします。

どんな研究をされてるのですか？

安：机の上の瓶を振ってみてください。

イ：わ！透明だったのに　ピンクになった！どうして!?

安：振れば振るほどピンクになります。面白いでしょう。
この瓶には透明な液体が入っており２层になっていましたね。下の层は水、上の层は油に赤い色素が混ぜてあるものです。
この色素、油の中に溶けていると色は出ないんですが、水と油の境界である界面では化学反応が起こり、実は界面だけは赤くなっていたんです。
でも、见えなかったですよね。界面が薄すぎて目では确认出来ないんですよ。
例えば静止状态のこの瓶だと、界面は瓶の太さ分の面积に仅か数ナノメートルの薄さでペロンと伸びているだけですから。
ナノメートルの「ナノ」は、１０亿分の１という意味ですから、界面ってメチャクチャ薄いって判るでしょ！

界面はナノの世界。分子レベルの世界なんです。
でも振ると、オイルドレッシングみたいに水と油が小さな液滴になって均一に分散されます。液滴が小さくなればなるほど体积は変わらなくても水と油が接する面积は相対的に大きくなるので、表面で起こっていることが强调されて、通常では见えにくかったものも见えるようになるんです。
こういう方法で、表面や界面に起きる现象を科学的に见ていく研究をしています。

イ：一枚では见えない界面が何重にも重なったからピンクに见えたんですね。先生はこういった水と油のような液体の研究をされてるんですか？

安：学生时代はその研究をしていました。今は同じような仕组みを利用して无机半导体表面の研究をしています。具体的には、无机半导体をどんどん小さくしてナノ粒子にして、その粒子の表面に色素分子を并べていく研究です。

イ：ものすごく小さい世界の研究ですね。见えないほど小さくして観察できるものなんですか?

安：さっきの话と一绪ですよ。物体の表面で色素分子がどのように并んでいるのかを调べるのに、大きいブロックの上に色素を落として调べようとしても无理です。表面って薄いですから。さっきみたいな要领でブロックをナノレベルまで小さくして表面积を大きくすることにより、どういう风に色素がくっついているのか、并んでいるのかを高感度に観察することができるようになるのです。

イ：ナノレベルまで小さくした无机半导体の表面に色を付けるんですか？

安：そう。色の研究をしているんです。
色を使って何が出来るか。例えば、表面プラズモン、フォトクロミズム、超分子キラリティといった研究をしています。

表面プラズモンって何ですか？

安：プラチナ?金?银などは、みなさんご存知の色があるかと思いますが、例えば金もナノレベルまで小さくすると金色じゃないんですよ。

イ：え？小さくすると色が変わるんですか？

安：ナノ粒子サイズなると色が変わるんです。ほら、粒子のサイズが数ナノメートルなら赤、数百ナノメートルなら黒っぽい色になっているでしょう？

イ：ナノレベルの大きさにすると金が赤くなってしまうんですか???これ、どんどん粒を大きくしていけば、また金色になるんですよね？

安：目に见えるほど大きくすればもちろん金色です。
これは、技术としては昔からあるものなんですよ。例えば歴史ある教会の赤いステンドグラス。あれは金のナノ粒子を入れることで赤いガラスを作っているんです。
ナノ粒子サイズの金属をガラスに混ぜて様々な色のステンドグラスが作られたのです。

イ：金が赤色になるということは、昔から知られてたんですね。

安：金やプラチナが电気を通すのは电子をいっぱい持っているからです。しかも金属の表面には电子が沢山出ていてこれが自由に动き回っているんです。これを表面自由电子って言います。

でも粒子を小さくしてナノ粒子にすると表面が相対的に大きくなり、表面自由电子の数も表面积に応じて多くなる。しかも隣接するナノ粒子の表面自由电子と相互作用するようになります。その相互作用が、我々の目に色として见えるんです。金属のサイズが大きい状态だとこの现象は见えません。
金属の粒子をナノレベルまで小さくしていくと、表面自由电子の动きが顕着になりサイズが大きい时には得られなかった特性が出てくるってことです。これが『表面プラズモン』です。

フォトクロミズム

安：面白い物をお见せしましょう。この白い纸、これはモナ?リザをインクジェットプリンタで印刷したものなんですよ。

イ：う～ん???真っ白ですね。どうすれば见えるのかな？何か仕掛けがあるということですね。

安：このＵＶ（紫外线）照射装置です。ここに、この白い纸を置きますよ。ほら、だんだん青くなってきたでしょう？

イ：あ、うっすら青いモナ?リザが见えてきた！どういう仕掛けなんですか、これ？

安：光を当てると色が変わり、光を当てるのをやめると元に戻るというフォトクロミック特性を有する无机半导体という物质があるんですよ。　
それをインクジェットプリンタのインクとして使用しているんです。

イ：普通のプリンタでプリントしたものなんですか。

安：そうです。

そして、このモナ?リザの絵の场合、ミソになるのがこの茧（→）。
この茧を化学処理して水に溶かすことで、色々な形にできます。例えばこの透明なフィルムとか???。　

イ：この透明フィルムは茧で出来てるんですか！つまり绢？

安：そう。そして、この绢を水に溶かしてフォトクロミック材料である无机半导体のナノ粒子と混ぜる。そして无机半导体のナノ粒子表面に绢がくっついた复合材料をインクとしてプリンタにセットして印刷したのが、このモナ?リザです。

イ：これは「绢と无机半导体」で印刷した絵なんですね。

安：そう、これは绢と无机半导体の酸化タングステン(奥翱3)のナノ粒子で作ったインクで印刷したものです。
酸化タングステンは紫外线を当てるとフォトクロミズムを示し、その色调は透明から青に変化します。もちろん、紫外线を当てるのをやめると、色调は青から透明に戻ります。
面白いことに、この酸化タングステンのナノ粒子表面へ绢をくっつけてやると、フォトクロミック効果が増强されるんです。つまり、より青くなるんです。我々は、この増强现象を「表面増强フォトクロミズム」と胜手に名付けました。
绢と酸化タングステンを混ぜ合わせたことにはもう一つ理由があります。绢は、印刷された酸化タングステンのナノ粒子と纸とをくっつける糊の役目もしてくれるんですよ。バインダーって言われている性质です。これがないと酸化タングステンのナノ粒子って纸の上の砂みたいなものなんで、触ると简単に取れちゃうんです。

茧と茧から作られたフィルム（フィルムは左手前。见えるかどうか???）

安：ほらモナ?リザ、こんなに青くなりましたよ。

イ：わーっ。ホントだ！面白い。これ顶いていいですか！

安：いいですけど???数时间后には真っ白ですよ（笑）

イ：あー。そうでした???

色素の色

安：例えば、表面に何かしらの色素がくっついている物体があります。この物体が紫色に见えるなら、表面にくっついている色素は紫色だと思うでしょ？

イ：？？？。物体が紫色に见えるなら、紫色の色素でしょう？

安：実はそうとも限りません。色素は、表面でのくっつき方、并べ方で色が変わるんです。具体的には、色素の付いている量と角度、これによって色は変わるんです。

イ：同じ色素なのに？

安：そう、同じ色素でも角度が変われば色が変わる。并び方と角度をコントロールすることで紫の色素を黄色や緑色に见せることができるんです。

イ：そんなことが出来るんですか？

安：不思议に思うようですが、これ実は植物の世界では普通にあることなんです。
植物の叶っぱの中には、クロロフィル色素が存在します。植物は、クロロフィル色素を使って光合成を行なっています。叶っぱは緑色に见えるから、クロロフィル色素は緑色だと思うかもしれませんが、クロロフィル色素を単独で取り出してみるとむしろ黄色っぽい赤色なんです。
緑色に见えるのは、クロロフィル色素の角度や并べ方を植物がコントロールしているからなんです。

イ：クロロフィル色素って本当は緑色じゃないんだ???
ダマされてるみたいですね。

安：叶っぱの中でクロロフィル色素は、綺丽にリング状に并んでいます。
我々はそれを色素会合体と言うんですが。
植物は、叶っぱの中でクロロフィル色素の会合体を作り出し、緑色に见せてるんですよ

イ：会合体？

安：并び方と数と角度のことですね。　　
ちなみになぜ叶っぱが緑色かというと、太阳光の中でエネルギーレベルが一番强いのが緑色の领域だからなんですよ。植物はそれをちゃんと知ってる。

イ：植物自身が自分を最も効率がいい色に见せてるってことなんですね。

安：そう。何万何亿年の学习と进化の中で、自分を緑に见せることにしたんです。
だから仮に太阳光の中で一番エネルギー强度が高い领域が黄色であったなら、植物は自分を黄色にするように进化してたでしょうね。

色素をどうやって并べるかで色は代わる。
つまり、一种类の色素でも表面の会合数や吸着角度を変えることで、あらゆる色を作る可能性があるということです。自然界がやっていることの模倣です。なかなかそこまで綺丽には模倣できてなくて、１つの色素で７色を出すことはまだ无理ですが???色の幅をどんどん広げていって、究极の目标は「一つの色素で７色の色を作り出す。」ということです。

イ：色素がどんなふうに并んでいるのかは顕微镜で见えますか？

安：いやいや、见えない见えない！流石に无理ですね！ナノメートルの世界の分子を见るのは难しいね。

イ：では、どうやって色素の角度の変化が分かるんですか？

安：スペクトルで见るんです。スペクトルの测定とそれに関连する小难しい理论で、色素の角度がどのくらい変わったかというのが见积もれるんですよ。

イ：色素の角度をどうやって変えるんです？ピンセットでつまんで并べ変えるのではないのでしょう？

安：そりゃそうですよ！自己组织化を利用するのです。
分子は并びたい方向や角度とかをある程度个性として持っています。
だから薬品やアルカリや酸を加えて周りの环境を変えることで色素の角度をコントロールして、色が変わるメカニズムを推测し结论づけるのです。　　

イ：色素の种类だけで色が决まるのではなくて、色素会合体の角度でも色が変わるんですね。不思议。

安：周りの环境で角度や密度が変わり色が変わるということは、センサーとして使えるということですね。
つまり物质の分析に使えるということです。もともと私は分析化学をやっていたので、そういうところにこの技术を使いたいんです。

イ：何の分析が出来るんですか？

安：例えば、色素会合体による色の変化を使ってタンパク质やアミノ酸の分析をします。
我々の身体を作っているのは、タンパク质です。そしてタンパク质は、アミノ酸からできています。そのアミノ酸は、左手と右手のような分子构造の违いを持っているんです。これをキラリティというんですが、こういったアミノ酸构造の违いの検出、见极めを色素会合体ですることができます。

これを见てください。

スペクトルを取ると２种类のアミノ酸で、スペクトル反転してますよね。検出できてるってことですよ。

无机酸化物ナノ粒子表面での色素の吸着?会合现象を利用したアミノ酸化合物高感度キラル认识とフォトクロミズムを利用したアミノ酸化合物高感度比色センシングの技术を使っています。　　
こういうことが出来るんです。

イ：合わせ技ですね。それにしても幅広い研究ですね。

安：そうですね。何でも手を出してる感じですかね。
でも、要するに色が変わるということです。使うものは无机半导体と色素。基本は変わらない。　

イ：それで何が出来るかっていうことなんですね。

安：そういう研究です。

なぜ「无机半导体」と「色素」

イ：どうして「无机半导体」と「色素」の组み合わせでの研究なんですか？

安：最终的に、水から水素を作り出したいんです。

イ：水素？

安：水素エネルギーは石油系のエネルギーに取って代わるエネルギー源として世界的に注目されていますね。
なぜなら石油は燃やすと颁翱2が出て温暖化が问题になりますが、水素は燃やしても颁翱2は出ません。出るのは水だけ。クリーンなんです。そういう意味で非常に注目を集め、世界规模でインフラ整备されようとしています。

イ：水素で动く燃料电池自动车や、水素ステーションの话题がニュースでもよく取り上げられていますね。

安：この水素をどう作るか。一番简単なところでは水の电気分解ですね

2H2O　→　 2H2 + O2

2：1の割合で水素と酸素ができます。

イ：中学校でやりました?

安：けれど、この方法で水素を作るのは非効率です。だって电気分解のための电気エネルギーを必要としますから。
実际に今、水素を作っている方法はこんな感じ

CH4 + H2翱　→　颁翱 + 3H2
CO + H2翱　→　颁翱2 + H2

つまり化石燃料に水を反応させて水素を発生させるんです。

でもこれ见たら分かるように、水素と一绪に颁翱2もできちゃうんです。
つまり温暖化の问题が出てくるってこと。
水素だけを见ればクリーンなんですが、作るほどにその过程で颁翱2が出てくるというのは、これからどんどん膨らみを持たせようとした时に问题になります。
そして一番クリーンなのは「水から水素を作ることだ」というところになる。

イ：???やっぱり电気を使ってですか？

安：エネルギーとして无限にあるのは、太阳ですね。
太阳を使って水素を作れれば、これは究极の再生可能エネルギー。エネルギー问题と地球温暖化问题を両方解决するという话になるじゃないですか。
だから今は「太阳光発电で水を电気分解して水素を作る」という方向で考えられています。　

イ：なるほど！

安：だけれども、先程言ったように、电気分解で水から水素を作るのは非効率。
だからこそ、いかに効率よく水素を発生させるかを考えるのが我々の研究テーマ。「无机酸化物半导体の光触媒机能をうまく活用すれば、効率よく水素を発生させられるんじゃないか」という提案です。

イ：光触媒？

安：光によって生じる化学反応をアシストする物质です。
皆さんが知ってる光触媒というと光触媒の无机半导体が练りこんである壁纸、タイル、そして便器でしょうか。室内の臭い成分を壁纸が吸収してくれて光が当たったらそれを分解してくれるというのがあります。これらには酸化チタン（罢颈翱2）が使われてます。

イ：无机半导体は皆、光触媒机能を持っているんですか？

安：半导体が导体になる為に必要なエネルギーが违うので、使い胜手の良し悪しはありますが、无机酸化物半导体はみんな持っています。酸化チタンの问题点は紫外线でしか机能しないところなんです。
太阳光は可视光が大部分を占め、紫外线は太阳光のたったの5％です。だったら可视光を光触媒に利用したいですよね。光触媒に関する研究は日本はかなり先进的で、その研究は2000年代に入って急速に进んでいます。
その中で可视光を使って水素を作るというのが命题のようになり、多くの研究者达がこれに取り组んできています。

そして、一つの色素で様々な色を作る可能性があり、研究の结果、我々はそういう技术を手に入れている。これを水素の発生にどうやって使うのか!

イ：（お！いよいよ色素の话になってきましたね！）

安：可视光を吸収して色素が色を见せるってことは、それは可视光领域のエネルギーをうまく使える物质ということです。
无机半导体である酸化タングステンは可视光をうまく使えない。でも外侧に色素を并べてやれば并べた色素は可视光をうまく使うことができる。だったら外侧の色素で可视光のエネルギーを吸収して中に取りこんでやろう！これ色素増感というんです。色素増感とは、すなわち、光を电子として半导体の中に渡してやるってことです。

イ：电子？
エネルギーを渡すって、电子を渡してるんです？

安：そう、すべては电子です。电気の源は、电子です。电子が流れるということは、电気が流れるということです。

イ：色素が电子を渡してるんですか?

安：そうです。色素もそうですが化合物は电子を持っている。色が见えるということはエネルギーを吸収して、物体の持つ电子が高いエネルギー顺位に上がるということです。このことを「励起」って言います。そして、光のエネルギーを电気として取り出す為には、半导体の机构を使わないとダメなんです。　だから半导体。

イ：あらら???难しい话になってきた（泣）???色の话が电子の话に。

安：だって（笑）全部、电子の话なんですよ。

楽しく軽快な语り口调でお话下さった先生でしたが、 学生には『鬼』と呼ばれているんですよとのこと。 （本当はどうなのでしょうか？）

イ：その仕组みを使って水素を作るんですか？

安：そういう研究をしています。

安：それにまだあまり研究されてない分野なのでね。面白そうだと思って?

イ：半导体の表面を研究する人は少ないんですか？

安：それはものすごく多いです。色素を合成したり、色素を付けたものの性能を调べる人も沢山います。
でも、半导体どころか溶液中で色素を并べる研究をする人でも???あまりいないんです。既に???かなりレア。

イ：半导体表面に色素を并べる研究をしてる人は？

安：更にレアです。天然记念物モノです。
半导体表面に色素を规则正しく并べてみようなんて…そんな马鹿なことする人は殆どいない。
私くらいかも（笑）

イ：なんと、そんなにレアな先生だったとは（笑）

インタビュー：2014年10月22日