2025年10月8日19時ごろ「京都大学北川教授がノーベル化学賞を受賞」という速報が飛び込んできました。
ちょうど当日はMatlantisのユーザ会「Matlantis User Conference 2025」が開催されており、会場にいた多くのMatlantisユーザーである材料研究者とともに、この朗報を祝うことができました。興奮冷めやらぬままこの受賞テーマである「多孔性配位高分子(PCP)」/「金属有機構造体（MOF）※」について解説したいと思います。
1, PCP/MOFとは
多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer; PCP）あるいは、金属有機構造体（Metal-Organic Frameworks; MOF）とは、有機配位子と金属イオンで構成される多孔性結晶のことを表します。最大の特徴としては、有機配位子と金属イオンの組み合わせにより、様々な特性を持つ材料を容易に合成可能であることが上げられ、ガス吸着や分離・触媒機能を設計できるとして注目を集め、多数の研究者により研究が進められています。
この一連の材料群の発見とその後の発展が今回のノーベル賞受賞につながったものと考えています。
2, PCP/MOFの革新的なポイント
圧倒的に大きい比表面積 > 高い吸着性能
PCP/MOFが発見された当初、最も期待された点が比表面積（重量当たりの表面積）が大きいことでした。比表面積が大きい材料は、分子の吸着に有利とされており、吸着材としての活用が期待されます。冷蔵庫の脱臭剤等に使われている活性炭も優秀な吸着材ですが、それと比べても、物によっては数倍の比表面積を誇り、その分だけ多くの分子を吸着することが可能です。
規則的な結晶構造に基づく均一な細孔の実現 > 高い分子選択性
活性炭の場合、広葉樹のように木の幹から枝葉が伸びるような形で様々な大きさの穴があり、その穴の状態様々な分子を吸着することが可能です。脱臭剤のように、なんでもいいからにおいの原因を取り込みたいという場合には、この点が有利に働きますが、一方で、特定の分子だけ取り込みたいという場合には、穴の大きさや特徴を均一にすることが必要です。均一な細孔を作成すること自体が挑戦的な課題でしたが、PCP/MOFの登場により、選択的な吸着が可能な材料への展望が開かれました。
有機配位子と金属イオンの組み合わせ > 高い設計性
さらに、重要なのが、吸着特性を設計可能であるという点です。一般の多孔性材料（活性炭やゼオライト）の場合、大枠の構造は決まっており、（表面修飾等の手段はありますが）細孔の特性を大きく変えること、分子を狙って吸着させるようにすることは非常に困難です。
しかし、PCP/MOFは自由度高く機配位子と金属イオンをブロックのように組み合わせることで、任意の径・吸着特性を持つ細孔を設計することが可能です。
3, 期待される応用
原子レベルで穴のサイズや特性を設計できるため、狙った材料のみを分離・回収する材料としての応用が期待されています。例えば地球温暖化の原因となるCO2を狙って分離する、価値の高い金属材料を狙って回収する、環境や人体に有害な汚染物質のみを分離する材料としての応用が見込まれています。
加えて、他材料よりもエネルギー効率よく吸脱着できることも期待されます。例えば、常温(25℃)で吸着した分子を放出するのに100度で加熱が必要な場合と、50度で加熱が必要な場合とでは、エネルギー効率は3倍程度変わるものと考えられ、持続可能な世界の実現に向けた材料としても期待されています。
PCP/MOFの実用化はすでに動き始めています。北川先生は、京都大学発のベンチャー企業である株式会社Atomisの顧問も務められており、同社がその実用化に向けた研究・開発を推進しています。そしてその材料開発の現場では、Matlantisが実際に活用されています。
高機能な材料開発を行うためには、原子レベルでの現象解明・材料設計が必要不可欠になってきています。（露骨な宣伝ですが、）弊社が提供しているMatlantisでは、DFT精度で数万原子規模の大規模な計算を高速に実施することができ、PCP/MOFのガス吸着量や吸着の選択性の現象解明のシミュレーションなどを行うことが可能です。
MOF-74(Mg)構造に対するCO2の吸着シミュレーション
参考記事
MOF-74NiにおけるH2O分子の吸着と拡散挙動
【計算事例公開】NEB法を用いたMOFのCO2吸着ダイナミクスの解析
5, 終わりに
原子・分子レベルで吸脱着や反応を自在に制御できる可能性のあるPCP/MOFは、持続可能な世界の実現に資する重要な材料の一つです。重要な化学的成果であり、この度のご受賞を心よりお喜び申し上げます。
* 北川進教授はPorous Coordination Polymerと命名し、Omar M. Yaghi教授はMetal-Organic Frameworkと命名をした経緯から併記とさせていただきます。
-
URLを
コピーしました
