サイエンスジャーナル

自然科学大好き!サイエンスジャーナル!気になる科学情報をくわしく調べ、やさしく解説します!

化学

世界初の快挙!夢の分子“カーボンナノベルト”(カーボンナノチューブの基本構造)の合成に成功

 夢の実現にまた一歩前進

 カーボンナノチューブ(Carbon nanotube、略称CNT)というと夢の素材だ。炭素によって作られる六員環ネットワーク(グラフェンシート)が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。細くなっても非常に丈夫で、伝導率も高いことからさまざまな分野で応用が期待されている。

 例えばコンピュータは小型化ならびに高性能化が求められ、コンピュータ内部にあるLSIの微細化が進んでいる。その微細化を進める上で大事なのが配線材料。現在使用している銅配線を多層カーボンナノチューブ配線に置き換えることで、コンピュータをはじめとするデジタル製品を支えるシステムLSIを進歩させることができる。

 また、構造によってバンド構造が変化し電気伝導率やバンドギャップなどが変わるため、シリコン以後の半導体の素材としても期待されている。半導体としてのCNTをトランジスタのチャンネルとして用いることで、高速スイッチング素子として用いられることが期待される。CNTはP型半導体的な極性を示す。


CNB

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第64回ノーベル化学賞 X線結晶解析学の開花、ドロシー・ホジキン「X線回折法による生体物質の分子構造の決定」

 多くの命を救った“ペニシリン”

 ペニシリンというと世界初の抗生物質であり、その発見は、20世紀の偉大な発見の1つにあげられている。肺炎や梅毒、咽頭炎、副鼻腔炎、中耳炎など、多くの細菌感染症に有効で、細菌の分裂を阻害するはたらきがある。第二次世界大戦中には多くの傷兵の命を感染症から救った。

 ペニシリンの発見者であるフレミング、ペニシリンの単離に成功したフローリー、チェインらの功績は1945年ノーベル医学・生理学賞の受賞で讃えられている。

 最初の発見は1929年、フレミングがブドウ球菌の培養実験中に抗菌効果のあるアオカビ(Penicillium notatum、現在はP. chrysogenum)を発見した。フレミングはアオカビが産生する物質を、アオカビの学名にちなんでペニシリンと名付けた。


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変わらない物質から変わる物質の時代へ!新物質「時間結晶」の生成に成功

 結晶と時間結晶

 結晶(crystal)とは原子や分子が空間的に繰り返しパターンを持って配列しているような物質である。より厳密に言えば離散的な空間並進対称性をもつ理想的な物質のことである。

 この原子の並びは、X線程度の波長の光に対して回折格子として働き、X線回折と呼ばれる現象を引き起こす。このため、固体にX線を当てて回折することを確認できれば、それが結晶していると判断できる。

 近年、こうした結晶の周期的パターンが空間上ではなく時間軸の方向に現れる「時間結晶」という現象が注目されるようになってきた。それも、単なる理論上の仮説ではなく、「実験的に時間結晶を作り出した」とする報告がいくつか出始めている。


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SiとNだけでできた世界で3番目に硬い透明セラミックスを発明!ダイヤモンドより硬い物質とは?

 世界一硬い物質

 硬い物質というとダイヤモンドが有名だが、世界で一番硬い物質というとダイヤモンドではない。ナノテクノロジーの進歩によりダイヤモンド以上の硬さの物質も発見されている。

 例えば、立方晶窒化炭素は理論上はダイヤモンドより硬い物質と考えられている。また、ロンズデーライト(Lonsdaleite)は六方晶系の結晶構造をもつ炭素の同素体。その結晶構造から六方晶ダイヤモンド(Hexagonal diamond)とも呼ばれる。ロンズデーライトはダイヤモンドよりも 58% 硬い可能性が示唆されている。

 最近の研究ではカルビンという物質が地球上で最も硬いということが分かった。ダイヤモンドと同じく「炭素原子」でできているが、炭素を鎖状に繋げたような形になっていると発表されている。このカルビンという物質、なんとダイヤモンドの3倍の硬さがあるらしい。前述したロンズデーライトは1.58倍、ウルツ鉱は1.18倍ダイヤモンドよりも硬いので、カルビンの異常な硬さがうかがえる。


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113番元素ニホニウム(Nh)の次は116番元素リバモリウム(Lv)合成に成功!新元素発見へ意欲

 ニホニウム(Nh)のその後

 昨年11月、113番目の元素として、元素名「nihonium(ニホニウム)」、元素記号「Nh」が正式決定された。

 この元素は、理研・仁科加速器研究センター 超重元素研究グループの森田浩介グループディレクター(九州大学大学院理学研究院教授)を中心とする研究グループが、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)」の重イオン線形加速器「RILAC」を用いて2004年7月に初めて合成に成功したもので、その後、2005年4月、2012年8月にも合成に成功。2015年12月31日に、同研究グループによる113番元素の発見がIUPACにより認定され、命名権が与えられていた。

 113番元素のほか、115番、117番、118番元素の元素名および元素記号についてもIUPACによって正式決定され、それぞれモスコビウム(Mc:Moscovium)、テネシン(Ts:Tennessine)、オガネソン(Og:Oganesson)と命名されている。

 ニホニウムの寿命は0.002秒なので、これでは役に立つ可能性は全くない。ただチームは、元素に存在限界はあるのか見極めるという、基礎研究として行ってきた。今後、元素はさらに発見され続けるのだろうか?


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触れただけで神経を破壊!「VXガス」を使用する国が存在する現実の安全保障をどうするか?

 金正男氏の暗殺事件

 驚くべきニュースが入った。金正男(キム・ジョンナム)氏暗殺のニュースだ。マカオに行くため2017年2月13日にマレーシア・クアラルンプール国際空港に行った際に北朝鮮工作員に殺害依頼されているベトナム国籍女性とインドネシア国籍女性に殺害された疑いがある。

 2月15日、韓国統一省はマレーシアの空港で殺害された男性は「北朝鮮の金正男氏であると確実視される」と発表した。正男氏は金正恩・朝鮮労働党委員長の異母兄。正男氏と見られる男性は「顔に液体をかけられた」と体調不良を訴え、病院に搬送途中で死亡した。

 正男氏は金正恩委員長の世襲について批判的で、中国との橋渡し役で処刑された張成沢(チャン・ソンテク)元国防副委員長とも親密な関係。中国には自由に出入りしており、中国に事実上「保護」されていた状態であった。


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宇宙のリチウムなぜ少ない?「7Be+n→4He+4He」仮説覆す成果!さらに謎が深まった宇宙リチウム問題

 リチウムとは何か?

 リチウム(Lithium)は原子番号 3、原子量 6.941 の元素である。元素記号は Li。アルカリ金属元素の一つで白銀色の軟らかい元素であり、全ての金属元素の中で最も軽く、比熱容量は全固体元素中で最も高い。

 リチウムの化学的性質は、他のアルカリ金属元素よりもむしろアルカリ土類金属元素に類似している。酸化還元電位は全元素中で最も低い。リチウムには2つの安定同位体および8つの放射性同位体があり、天然に存在するリチウムは安定同位体である6Liおよび7Liからなっている。これらのリチウムの安定同位体は、中性子の衝突などによる核分裂反応を起こしやすいため恒星中で消費されやすく、原子番号の近い他の元素と比較して存在量は著しく小さい。

 リチウムは地球上に広く分布しているが、非常に高い反応性のために単体としては存在していない。地殻中で25番目に多く存在する元素であり、火成岩や塩湖かん水中に多く含まれる。リチウムの埋蔵量の多くはアンデス山脈沿いに偏在しており、最大の産出国はチリである。海水中にはおよそ2300億トンのリチウムが含まれており、海水からリチウムを回収する技術の研究開発が進められている。世界のリチウム市場は少数の供給企業による寡占状態であるため、資源の偏在性と併せて需給ギャップが懸念されている。


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ついに「金属水素」の生成に成功!ハーバード大 室温超伝導へ期待、木星の中心にも金属水素?

 次世代エネルギー「水素」

 水素というと、水素は全宇宙で最も豊富に存在する元素であり、宇宙の質量の3/4を占め、総量数比では全原子の 90 % 以上となる。しかし、地球上では、ほとんどは海水の状態で存在し、単体の水素分子は天然ガスの中にわずかに含まれる程度である。地球の大気中での濃度は 1 ppm 以下とほとんど存在していない。

 水素は、エネルギー変換効率が高く、燃焼後に二酸化炭素を排出しない利点もある。また、現状では主に化石燃料を使って製造しているものの、将来的には、水の電気分解やバイオマス・ごみ等を利用により、化石燃料に拠らないで製造できる可能性がある。このため、次世代のエネルギー源やエネルギーの輸送及び貯蔵手段として期待される。

 有望なエネルギー資源である水素だが、周期表上ではアルカリ金属の列の最上段にある。アルカリ金属というと、Li,Na,K などのことだ。水素は通常は気体であり金属ではない。しかし、木星、土星や新しく発見された太陽系外惑星の内部では、重力による圧縮により、金属水素が大量に存在すると考えられている。木星の磁場が非常に強く、地表面近くにあるのは、金属水素の存在が一因だとも言われている。


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第63回ノーベル化学賞 時代を変えた!ツィーグラーとナッタ「新しい触媒を用いた重合法の発見とその基礎的研究」

 プラスチックの歴史

 プラスチック(合成樹脂)は軽くてしっかりしているので、さまざまなところで使われている。コップやバッグ、衣類、ポリエチレンの袋...もはやプラスチックなくしては私たちの生活は成り立たない。プラスチックのゴミが問題になっているが、分別し、リサイクルをしっかりすれば問題ないと思う。

 プラスチックの主成分は、高分子(ポリマー)と呼ばれる長く連結した鎖状の分子でできている。例えば、ポリエチレンの「ポリ」はポリマーのことであり、ギリシャ語で「たくさん」という意味である。石油や天然ガスからつくられた「エチレン」という化合物が重合と呼ばれる反応によってたくさんつながったものがポリエチレン。この高分子の正体を初めて発見したのが、1926年ドイツのスタウディンガーである。

 では、プラスチックはいつどのように誕生し、どのように広がっていったのだろう?


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IUPAC、113番元素「ニホニウム」など新4元素名を正式決定!モスコビウム(Mc)、テネシン(Ts)、オガネソン(Og)とは?

UPAC、理研発113番元素「ニホニウム」など新4元素名を正式決定

 理化学研究所(理研)は11月30日、同研究所が国際純正・応用化学連合(IUPAC)へ提出していた113番元素の元素名案および元素記号案について、提案どおり、元素名「nihonium(ニホニウム)」、元素記号「Nh」に正式決定されたと発表した。

 原子番号113の元素は、理研 仁科加速器研究センター 超重元素研究グループの森田浩介グループディレクター(九州大学大学院理学研究院教授)を中心とする研究グループが、理研の重イオン加速器施設「RIビームファクトリー(RIBF)」の重イオン線形加速器「RILAC」を用いて2004年7月に初めて合成に成功したもので、その後、2005年4月、2012年8月にも合成に成功。2015年12月31日に、同研究グループによる113番元素の発見がIUPACにより認定され、命名権が与えられていた。

 同研究グループは、今年3月18日にIUPACへ元素名案「nihonium」、元素記号案「Nh」を提案しており、6月8日から開始された5カ月間のパブリックレビューとIUPACによる審議を経て、今回の正式決定に至った。


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17種類もある、氷の不思議?新タイプの氷の結晶構造を解明、水素貯蔵材料になりうる可能性

氷の不思議

 水に砂糖などの不揮発性の物質を溶かすと、水溶液が凍る温度(凝固点)は0℃よりも低くなる。この現象を凝固点降下という。水が凍るときは水分子同士が結びついて氷になる。ところが、水溶液の場合、水に溶けている物質の粒がじゃまをして、水分子同士が結びつきにくい状態になっている。このため、水溶液を凍らせるには0℃よりも温度を低くする必要がある。水に溶けている物質の粒の数が多いほど、水溶液の凝固点は低くなる。

 では、10gの食塩と10gの砂糖を水100gに溶かす場合、どちらが低い温度で凍るか?

 正解は食塩、砂糖水は-0.7℃、食塩水は-5.6℃。これは、食塩と砂糖の粒のつくりの違いが関係している。食塩と砂糖が水に溶けたときの粒の様子は、図のように考えることができる。同じ質量の水に、食塩と砂糖をそれぞれ同じ質量だけ溶かすと、砂糖水よりも食塩水の方が、水に溶けている物質の粒の数が多くなる。このため、食塩水の方が、より低い温度で凍った。


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環境ホルモン再び?イルカや野鳥から化学物質「ペルフルオロホスフィン酸」検出!かつての農薬に使用

 世界に広がった環境ホルモン

 環境ホルモンというと、外因性内分泌攪乱物質または外因性内分泌攪乱化学物質とも呼ばれている。環境ホルモンという呼び名は、あるひとつの物質の名前ではなく、生物のホルモンの働きを狂わせてしまう物質の総称である。

 環境ホルモンは、体内の正常な働きをするホルモンの働きを壊すことで、様々な異常が起きる。例えば性ホルモンと似た性質の環境ホルモンは、生殖器の異常や精子の減少、卵巣がんや乳がんなどの生殖器のがん、性行動の異常などを引き起こす。

 環境ホルモンの原因となっているのは、さまざまな化学物質。化学物質を大量に摂取しているとは、誰もが思わないのでしょうが、日々の生活の中で環境ホルモンは、身体の中に取り込まれているといってもよい。殺菌剤・防腐剤・殺虫剤・農薬・食品添加物・ダイオキシンなど、約70種もの化学物質があげられている。


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2016年ノーベル化学賞は欧米研究者3人 授賞理由は「分子機械(マシン)の設計と合成による世界最小の機械開発」

化学賞は分子機械の欧米3氏に

 スウェーデンの王立科学アカデミーは10月5日、2016年のノーベル化学賞を機械のような動きをする分子の設計と合成に成功した米国、フランス、オランダ3国の3人の研究者に授与すると発表した。3日に医学生理学賞受賞が決まった東京工業大学の大隅良典(おおすみ よしのり)栄誉教授に続く日本人ダブル受賞はならなかった。

 授賞理由は「分子機械(マシン)の設計と合成による世界最小の機械開発」。受賞したのはフランス・ストラスブール大学のジャン・ピエール・ソバージュ名誉教授、米ノースウエスタン大学のジェームス・フレーザー・ストッダート教授、オランダ・フローニンゲン大学のバーナード・フェリンガ教授の3氏。

 ソバージュ名誉教授は、2つの分子が知恵の輪のように結びついた「カテナン」という特殊な形をした分子の合成に成功した。こうした分子は、ほかにも、ドーナッツ状の分子をダンベル状の分子が貫くように結びついた「ロタキサン」などさまざまな形がある。

 ストッダート教授やフェリンガ教授は、こうした分子に温度や光など外部から刺激を加えると、分子の一部が動くことで、あたかもスイッチやモーターのように機能する「分子マシン」と呼ばれる技術を開発した。


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窒素分子から直接二トリルを合成することに成功!ハーバー・ボッシュ法以来の快挙!

窒素化合物をニトリルからつくる

 地球大気の80%を占める豊富な資源である窒素分子は、2個の窒素原子が三重結合という強い共有結合で結ばれているため非常に安定している。

 しかし、この安定さゆえに、窒素分子を有用な有機化合物(含窒素有機化合物)に直接変換することは非常に困難である。通常、多くのエネルギーを消費する「ハーバー・ボッシュ法」によって、窒素分子から合成されたアンモニアを窒素原料として含窒素有機化合物を合成する。

 アンモニアを用いずに、温和な条件で窒素分子を含窒素有機化合物に直接変換する手法の開発は、これまであまり進んでいなかった。例えば、化学工業上需要な中間原料である含窒素有機化合物のニトリルは、医農薬中間体、溶剤、アクリル繊維の前駆物質、ナイロンの原料など、その用途は多岐にわたる。


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リチウムイオン電池の電解液として機能する「常温溶融水和物(ハイドレートメルト)」を発見!

 化学電池に不可欠「電解液」

 電池の電解液 (Electrolyte Solution) というと、イオン性物質を水などの極性溶媒に溶解させて作った、電気伝導性を有する溶液のこと。乾電池の中にも電解液が少量入っている。時々液漏れするのは電解液だ。

 例えば、マンガン乾電池の電解液には塩化アンモニウムや塩化亜鉛が溶けているのに対し、アルカリ乾電池は水酸化カリウムが溶けている。電解液は電解質が溶けていればよく、塩酸や硫酸、食塩でも電池になる。

 今回、東京大学大学院工学系研究科のグループは、科学技術振興機構、物質・材料研究機構との共同研究により「水」をベースとした新カテゴリーのリチウムイオン伝導性液体「常温溶融水和物(ハイドレートメルト)」を発見。研究成果を「Nature Energy」電子版に発表した。


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第62回ノーベル化学賞「球状タンパク質の構造研究」 ぺルーツとケンドルー世界初!タンパク質の立体構造解明

タンパク質の構造解析

 私たちの体は数十兆個もの細胞からなっており、一つひとつの細胞の活動が私たちの「生命」の基本となっている。細胞はさまざまな成分からできているが、なかでもタンパク質は、細胞の構造をつくり、生命活動を推し進め、調節するという大切な役割を果たしている。

 細胞の中ではたらくタンパク質は何万種類もあり、それぞれが独自のかたち(立体構造)とはたらき(機能)をもっている。細胞の活動の鍵となるタンパク質の構造と機能を解明することは、生命のしくみを理解する上でとても重要である。また、多くの病気は細胞の活動の不調に由来するので、病気の治療法を開発するのにも大切だ。さらに、動植物や微生物を上手に利用して食料や有用物質を生産するのにも、タンパク質の研究は貢献する。

 これまでの研究により、タンパク質の構造を解析するための基本的な手法はほぼ確立されている。生命にとって重要なタンパク質の構造が次々に明らかになり、これに伴って機能の解明も大きく進んだ。だが、タンパク質の中にはまだ構造の分かっていないものも多く存在する。


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新ナノカーボン素材「カーボンナノブラシ」発見!カーボンナノホーン集合体が細長く繊維状に伸びる

ナノカーボン材料とは?

 ナノカーボン材料とは、ナノメートル(10億分の1m)の大きさの構造をもつカー ボン(炭素)からなる物質群である。ナノカーボンには、C60分子(フラーレン)、ナノチューブ、グラフェンが代表的な物質である。1985年のフラーレン発見後、カーボンナノチューブ、グラフェンなど様々な形態が見出され、その多様かつ特徴的な性能からナノテクノロジーの代表的な素材として注目を浴びている。

 産学官で幅広く基礎研究及び用途開発研究が展開されており、ここ数年のナノカーボン材料にまつわる様々な技術開発はめざましく、ナノカーボン材料も事業化段階に入ろうとしている。

 今回、NECは新たな炭素素材「カーボンナノブラシ」を発見したと発表した。直径100ナノメートル(1万分の1ミリ)、長さ1〜10マイクロメートル(1000分の1〜100分の1ミリ)の繊維状に炭素原子がつながり合い、表面にブラシの毛のような突起が多数ある。電気をよく通す特徴があり、電気自動車の電池の電極に使った場合、充電速度が10〜15%向上し、省エネ効果もあると見込まれる。


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113番元素の名前の案「ニホニウム」に!平均寿命わずか「0.002秒」、できた数わずか「3個」

 113番元素の名前の案「ニホニウム」に 国際機関が発表

 日本の理化学研究所のグループが発見し、日本に初めて命名権が与えられた「113番元素」について、化学に関する国際機関は名前の案を日本の提案どおり、日本ということばを取り入れた「ニホニウム」に決め、日本時間の6月8日午後10時半、ホームページで発表した。また、元素記号の案を「Nh」に決めたと併せて発表した。

 物質の元になる元素のうち、九州大学の森田浩介教授を中心とする理化学研究所のグループが12年前に、埼玉県和光市にある大型の実験装置を使って人工的に作り出すことに成功した113番目の元素について、化学に関する国際機関、「国際純正・応用化学連合」は去年12月、正式に元素として認定し、命名権を日本に与えた。

 これを受けて、理化学研究所のグループは名前と元素記号の案をことし3月、国際機関に提出し、国際機関がふさわしいものかどうか審査を行ってきた。その結果、国際機関は「113番元素」の名前の案を日本の提案どおり、日本ということばを取り入れた「ニホニウム」に決め、日本時間の8日午後10時半、ホームページで発表しました。また、併せて元素記号の案を「Nh」に決めたと発表した。


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驚いた!シャラポアのドーピング問題!ロシア陸上界では組織ぐるみで発覚!なぜドーピングはなくならない?

 女子テニス界の妖精の釈明

 女子テニス界の妖精といわれる、ロシアのマリア・シャラポワ(28)のドーピングのニュースには驚かされた。

 シャラポアというと、日本の錦織圭(23、日清食品)が13歳から練習拠点としている、米フロリダ州のIMGニック・ボロテリー・テニス・アカデミーの出身である。

 3月7日、シャラポアはロサンゼルスで記者会見し、1月の全豪オープンのドーピング検査で禁止薬物の「メルドニウム」に陽性反応が出たことを明らかにした。


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“未来の紙”セルロースナノファイバー(CNF)が世界を変える!強度鉄の5倍、重量5分の1、透明素材も

 夢の新素材「セルロースナノファイバー」実用化

 夢の素材といわれるセルロースナノファイバー(CNF)の実用化が進んでいる。植物から作られるCNFは、環境負荷が少ないうえ、鉄よりも軽くて強いといった、さまざまな特長を備え、幅広い分野で利用が見込まれている。森林資源の豊富な日本の企業にとって、原料調達が容易というメリットもある。2030年には関連市場が1兆円に達するとの予測もある中、製紙会社などが研究開発や用途開拓を加速している。

 CNFは植物繊維を化学的、機械的に解きほぐしたものだ。繊維1本の直径は数ナノ~数十ナノ(1ナノは10億分の1)メートルしかないが、鉄の5分の1の軽さで強度が5倍と、炭素繊維に迫る性能を備える。しかも透明で、熱を加えても膨張しにくいほか、化粧品などに加えると粘りを出すこともできる。

 このため化粧品以外にも、ソフトクリームの形を保ったり、ガラスの代わりに利用するといった、さまざまな利用法が考えられている。中でも樹脂と混ぜて自動車部品に使えば、1台あたり20キロの軽量化につながるといわれる。


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