サイエンスジャーナル

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化学

ナッツ類の摂取、心臓病リスク低下に貢献する!オメガ脂肪酸、ビタミンEなど健康成分が豊富

 ナッツが健康に良い理由

 「ナッツ」は手軽にポリポリ摘んで食べられて、ビールやワイン等のお酒のおつまみにもピッタリ。ナッツは種実類といって、かたい皮や殻に包まれた食用の果実・種子の総称である。種実類のうち、木の実を「ナッツ」と呼ぶ。

 ナッツとしては、アーモンドやクルミ、ペカンなどがこれに属する。種子に属するナッツとしては、カシューナッツやブラジルナッツがあげられる。なお、厳密にはナッツに属さない豆類にも、ピーナッツなどいくつかナッツとして扱われる種類が存在する。

 種実類には、炭水化物を多く含むものと脂肪を多く含むものの2種類が大きく分けて存在する。炭水化物を多く含むものとしてはクリなどがあり、脂肪を多く含むものとしてはアーモンド、ピスタチオ、クルミなどがある。一般的にナッツとして販売されるものは後者である。


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ガラスは固体?液体?ガラスには固体特有の分子振動に加えて、異なる分子振動パターンが存在する

 ガラスとは何か?

 ガラス(glass)とは、物質のある状態を指す場合と特定の物質の種類を指す場合がある。

 物質の状態を示す場合では、ガラスは昇温によりガラス転移現象を示す非晶質固体。そのような固体となる物質のこと。このような固体状態をガラス状態と言う。結晶と同程度の大きな剛性を持ち、粘性は極端に高い。

 特定の物質を指す場合では、古代から知られてきたケイ酸塩を主成分とする硬く透明な物質。グラス、玻璃(はり)、硝子(しょうし)とも呼ばれる。「硝子」と書いて「ガラス」と読ませる事もよくある。化学的にはガラス状態となるケイ酸化合物(ケイ酸塩鉱物)である。


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2017年ノーベル化学賞 デュポシェ・フランク・ヘンダーソン「低温(クライオ)電子顕微鏡」タンパク質の立体構造解明

2017年のノーベル化学賞「低温(クライオ)電子顕微鏡」

 スウェーデンの王立科学アカデミーは10月4日、2017年のノーベル化学賞を、生体分子を鮮明に画像化して解析する手法を開発したスイス、米国、英国の3人の研究者に授与すると発表した。授賞理由は「溶液中の生体分子の高分解能構造決定のための低温(クライオ)電子顕微鏡法の開発」。

 日本人の自然科学系ノーベル賞は2014年に赤﨑勇氏、天野浩氏、中村修二氏の3人が、15年に梶田隆章氏がいずれも物理学賞を、同じ15年に大村智氏が、昨年は大隅良典氏がいずれも医学生理学賞を受賞している。今年は医学生理学賞、物理学賞とも海外研究者の受賞が決まっており、日本の自然科学界初の快挙になると期待された「4年連続受賞」にはならなかった。

 今年の化学賞を受賞するのはスイス・ローザンヌ大学名誉教授のジャック・デュボシェ氏、米コロンビア大学教授のヨアヒム・フランク氏、英MRC分子生物学研究所のリチャード・ヘンダーソン氏の3人。


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ノーベル賞予想に日本人研究者!フレキシブルで軽量「ペロブスカイト太陽電池(PSC)」、宮坂力特任教授

ことしのノーベル賞予想に日本人研究者

 今年もノーベル賞のシーズンが近づいてきた。今年の発表は、10月2日に医学生理学賞、3日に物理学賞、4日に化学賞が、6日に平和賞、9日に経済学賞の予定である。文学賞の日程は後日発表される。

 さて、今年のノーベル賞の発表を前に、受賞が有力視される世界の研究者22人をアメリカの学術情報サービス会社が発表し、日本からは化学賞で桐蔭横浜大学の宮坂力特任教授の名前が上がっている。

 宮坂特任教授は、「ペロブスカイト」と呼ばれる特殊な結晶の構造を持つ物質を金属板などに塗るだけで、太陽電池を作ることができることを発見した。ペロブスカイト太陽電池は、現在の太陽電池に比べて軽くて生産コストが安いうえ、折り曲げることも可能になることから、次世代の太陽電池として注目を集めている。


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第66回 ノーベル化学賞 ロバート・マリケン、量子化学の開拓者「分子軌道法による化学結合・電子構造」

 分子軌道法による化学結合・電子構造に関する研究

 物質が原子から分子になるとき、原子核や電子はどのように状態を変えるのであろうか。例えば二酸化炭素は、酸素と炭素の化合物であるが、とても二酸化炭素から炭素や酸素をイメージすることはできない。まったく別の物質である。だから原子や分子を超えた微小なレベルでは、電子や原子核の状態が炭素や酸素とは違った状態になっていることは想像できる。

 化学は物質の構造や反応を取り扱う学問で、原子や分子といったミクロの世界が主な研究対象である。その中で最も小さな物質、例えば原子核や電子中性子といったものを扱うのが「量子化学」と呼ばれる分野だ。これは物理学の中の量子力学の理論を「化学」に対して応用するものである。最先端の現代化学を理解するためには、物理学の量子論の理解も必要といえる。マリケンの研究分野はこの量子化学であった。

 マリケンはマサチューセッツ工科大学で学び、シカゴ大学ハーバード大学で当時の量子力学の研究者たちと研究に従事した。水素分子はH2、すなわち水素原子2個が結合している。原子核の周りを飛ぶ電子の軌道については1927年、ヴァルター・ハイトラーとフリッツ・ロンドンによって「原子価結合法」(VB法)が提案された。


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長年の謎であった「過冷却水」がドロドロになるメカニズムを解明!水素結合が強固になり高い粘性

過冷却水とは何か?

 過冷却(supercooling)とは、物質の相変化において、変化するべき温度以下でもその状態が変化しないでいる状態を指す。たとえば液体が凝固点(転移点)を過ぎて冷却されても固体化せず、液体の状態を保持する現象。水であれば摂氏零度以下でもなお凍結しない状態を指す。

 第一種相転移でいう準安定状態にあたる。物質は一般的に固体・液体・気体の三つの相を持ち、それらは温度と圧力の影響の元で決定される。おおよそ温度が下がるにつれて気体→液体→固体へと変化し、その変化する温度は沸点・融点(凝固点)と呼ばれて物質の特性とされる。しかし、現実にはこれにあわない例が往々にして出現する。

 液体を構成する分子が結晶化過程(第一種相転移)に移行するためには、物理的刺激によって核となる微小な相を生成させる必要があるが、過冷却においては微小相の発達が不十分で、相転移が行われない。このため極めて平静な、安定した状況で発生しやすい。


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第65回ノーベル化学賞 ウッドワード「有機合成における業績」ノーベル賞3回分「20世紀最大の有機化学者」

 1965年ノーベル化学賞「有機合成における業績」

 有機合成化学とはその名の通り、有機化合物の合成を研究する分野である。さまざまな有機化合物の合成は、医薬品や産業用に用いられる物質を数多く生み出し、人類の進歩に役立っている。特に天然由来の物質を有機化学合成でつくり出す「全合成」は、貴重な物質を安価かつ大量に合成することで、経済的な利点も多い。

 例えば天然由来の有機物である、クロロフィル(R・ヴィルシュテッター1915年ノーベル化学賞)やビタミンC(ウォルター・ハース1937年ノーベル化学賞)、コレステロール(ブロッホ・リネン1964年ノーベル化学賞)などの構造が発見されると、次はこれらの有機物を人の手でつくってみたいという要求が出てくるのは自然なことであった。

 この有機合成化学において、20世紀を代表する化学者が米国のロバート・ウッドワードである。1938年マサチューセッツ工科大学で博士号を授与された後、ハーバード大学で有機化学の研究を始めた。当時は第二次世界大戦中で、南方における戦闘でマラリアに感染する兵士が続出した。その治療薬であるキニーネはキナから採れるが、主産地であったインドネシアが日本に占領されていたことなどからキニーネの人工合成が急がれた。


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地球内部はどうなっているか?水が地球の深部まで運ばれている可能性あり!新構造の含水鉱物を発見

地球の内部構造はどうなっているのか?

 地球の内部はどうなっているのだろうか? それは誰も見ることができない。したがって、地球内部の構造は地表面での観測で得るしかない。

 その中で最も優れた方法は地震波の分析である。地震波解析によると、地球は外側から、岩石質の「地殻」、岩石質の粘弾性体である「マントル」、金属質流体の「外核」、金属質固体の「内核」という大構造に分けられる。岩石質とはいっても、地殻とマントルでは化学組成が違う。外核と内核も金属質とはいうが、若干化学組成が異なると推定されている。

 上部マントルの一部と地殻とから成る層を岩石圏(リソスフェア)という。岩石圏は10数枚のプレートと呼ばれる板に分かれている。プレートには2種類ある。大陸を含む大陸プレートと、海洋地域のみを含む海洋プレートである。海洋プレートは中央海嶺で生産され、マントル対流に運ばれて中央海嶺から離れる。その間にも中央海嶺では次々にプレートが生産されるので、海洋底が拡大する。


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新しい宝石?見る方向や光の偏光方向によって色が変化する!レニウム(Re)を含む新物質の合成に成功

レニウムとは何か?

 レニウム(rhenium [ˈriːniəm])という物質がある。レニウムは原子番号75の元素。元素記号は Re。マンガン族元素の一つで、銀白色の金属(遷移金属)レアメタルの一種である。比重は21.0、融点は3100 °C、沸点は5800 °C(融点、沸点とも異なる実験値あり)。常温、常圧で安定な結晶構造は、六方最密充填構造 (HCP)。フッ化水素酸、塩酸には不溶。酸化力のある酸(硝酸、熱濃硫酸)には溶ける。過酸化水素や臭素水にも溶ける。原子価は+2価〜+7価。単体では最も硬い金属である。

 1925年にノダック (W. Noddack) とタッケ (I. Tacke) とベルグ (O. Berg) が発見。ライン川のラテン名 Rhenus が語源。二番目に遅く発見された天然元素である(最後に発見されたのはフランシウム)。

 この金属、実は日本人によって発見されている。1908年(明治40年)、小川正孝は43番元素を発見、ニッポニウム(nipponium, 元素記号:Np 、日本素という意味)と命名したと発表したが、後に43番元素が地球上には存在しないことが判明するとこれは取り消された。


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ゾル・ゲル状態を繰り返す、アメーバのような新物質の合成に成功!新たなタイプの分子マシンになるか?

 アメーバの動きの正体

 アメーバ(amoeba, ameba, amœba)は、単細胞で基本的に鞭毛や繊毛を持たず、仮足で運動する原生生物の総称である。また仮足を持つ生物一般や細胞を指してこの言葉を使う場合もある。ギリシャ語で「変化」を意味する αμοιβη(amoibē) に由来する。

 大型のものは1mmを越えるが、多くは10-100μm程度である。細胞内には核があるが、単核のもの、多核のものがあり、分類群によって異なる。細胞の後端には円盤形の収縮胞が一つある。

 アメーバは基本的に鞭毛や繊毛をもたないが、移動の際は細胞内の原形質流動によって、進行方向へ細胞質が流れるに従い、その形を変えるようにして動く。この運動をアメーバ運動という。この時に原形質流動によって突き出される部分を、足になぞらえて仮足(かそく)という。仮足の先端は幅広く丸くなっており、プラズマレンマという透明な層が見られる。


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「アモルファス氷」と呼ばれる急速冷凍して作った過冷却氷は、固体ではなく液体だった!

 氷にアモルファスな2つのタイプ

 アモルファス (amorphous)とは、 非晶質のことで、結晶のような規則正しい原子配列はないが、原子どうし結合した状態で、これは熱力学的には、非平衡な準安定状態である。ガラスなどはアモルファスである。

 水を冷やすと0℃で氷になるといわれるが、実際には、結晶の核ができるまでに時間がかかるので、0℃を下回ってもすぐに氷になるわけではない。純粋な水を、ゆっくりと刺激を与えずに冷却すると、0℃よりもかなり低温まで過冷却できる。それでも、実験で到達できる過冷却温度は-30℃ぐらいが限界で、その先はどうやっても結晶化がおこる。

 一方、計算機シミュレーションでは、不純物の影響を完全に排除できるので、結晶化を起こさせずにもっと過冷却することができる。水をそこまで深く過冷却すると、その先には驚くべき現象が待っている。結晶化しないまま、固く凝った状態をガラス状態あるいはアモルファスと呼ぶが、水には2種類のガラス状態があるらしい。


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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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