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世界を変える!それが科学の醍醐味 理工学部 長谷川美貴教授



なぜ? どうして? 基礎研究は自然との対話

理工学部は、工学系と理学系の相補的な視点から学問を追及する学部です。私たちが行っている研究は理学研究であり、「基礎研究」に位置付けられます。基礎研究とは、特別な応用や用途をすぐに実現することを目的としているわけではなく、自然界の仕組みを追求し、ものごとの本質や原理を追及する研究です。こういったことがわかると、応用の分野の大きな発展を支えることができるのです。

例えば、「色」について考えてみましょう。私たちの身の周りには「色」があふれています。中でも自然界での身近な色のひとつに、草や葉の緑色があります。では、私たちはなぜ「草や木の葉は緑色」と感じることができるのでしょうか? 緑色の正体は主にクロロフィルです。光合成は植物が生きていくために欠かせない機能で、その中心的役割を果たしているのが、葉の中に含まれているクロロフィルです。クロロフィルは、太陽光に含まれる光の成分のうち「特定のエネルギーを持つ光」を吸収しています。私たちは、葉に吸収されずに反射した光を目でとらえ、「緑色」と認識します。このとき、草花に吸収された光の色と、反射して目がとらえた光の色は、補色の関係になります。つまり私たちは、植物が生きるために吸収した光の“反対の色”を見ているのです。

では、季節の移ろいとともに葉の色が変化していくのはなぜなのでしょうか?秋から冬にかけてはクロロフィルを含むタンパク質が寒さにより分解し、クロロフィルも分解されるためそれまで効率よく吸収していた光を吸収しなくなります。一方、葉にはクロロフィルの他にカロテノイドという色素体も含まれていて、私たちの目には「黄色」と認識されます。カロテノイドの黄色は普段はクロロフィルの緑色に隠れているため、葉は緑色に見えますが、クロロフィルの分解が進むと、それまで目立たなかった寒さに強いカロテノイドの存在が前面に出てきて黄色に見えるのです。植物によっては紅葉するものもありますが、これは、秋になるとアントシアニンと呼ばれる色素が葉の内部に作られるためであるといわれています。アントシアニンによって吸収されるため、葉が紅く染まったようにみえるのです。こういった原理がわかると、葉の紅葉の色は木に含まれるたんぱく質などの情報を理解できる手段に使えるかもしれませんね。

このように、地球上のあらゆる現象には、すべて意味や理由が存在しています。そんな「なぜ?」や「どうして?」の答えを、自然との対話の中から発見し、たとえば次の材料開発に結び付けるための研究が「基礎研究」なのです。

基礎研究って、何の役に立つの?

レアアースは紙幣などの偽造防止用蛍光インクなど、身近なものにも使用されている

ユーロピウムやテルビウムといったレアアースは、暗い場所で発光する性質を持っている

自然との対話によって地球上の「なぜ?」や「どうして?」を解き明かす……でも、それが何の役に立つの? と思われる方もいるかもしれません。確かに、基礎研究によって得られた成果が、すぐに実用化に結び付くことは多くありません。しかし、新たな原理を発見することができれば、現代社会が抱える課題を解決し、人々の暮らしを劇的に変える可能性も見えてくるのです。

最近、「レアメタル」という言葉をニュースや新聞でも目にするようになりました。レアメタルは、合金自身の強度を増したり、錆びにくい建築材料への添加剤として、また発光ダイオードや電池、永久磁石や電子部品の原料として、機能性材料への応用は多岐にわたり、現代社会には欠くことのできない元素群です。これほど広い用途に応用されているレアメタルでさえ、まだその可能性のほんの一部しか利用できていないと考えられているのです。

レアメタルの一部の元素(希土類)は「レアアース」と呼ばれていますが、私の研究グループは、レアアースのひとつである「プラセオジム」という金属イオンと、石けん分子の一種であるステアリン酸を化合させることにより“ある特殊な現象”を引き起こす素材を開発し、世界で初めてその仕組みの解明に成功しました。その現象とは、「分子の織り成す偏光発光」です。

皆さんもご存じのように、光は波の性質を持っています。太陽や電球などの光には、進行方向に対して上下左右あらゆる方向に振動する波が含まれています。これに対して、一定方向にのみ振動する光が「偏光」です。長い棒も向きを揃えて束ねれば扱いやすくなるのと同様に、バラバラな向きの振動を含む通常の光に比べて、偏光が格段にコントロールしやすいことは想像できるでしょう。カラー液晶ディスプレイなども、この偏光を利用した装置です。現在の液晶ディスプレイは、フィルターで偏光をつくって、バックライトからの光を制御しています。そのため、液晶ディスプレイを製造するには、光を出すバックライトと、偏光をつくるフィルターが必要でした。これに対して、私たちがつくり出した「偏光発光膜」は、膜自身が光を出し、かつ偏光させることができるため、これまでよりずっと簡単にディスプレイをつくることができます。また、偏光発光膜からは2つの偏光を同時に発光させることができるので、将来的には「1つの画面に複数の映像を同時に映す」ということも可能になるかもしれません。このように、私たちの基礎研究は、国内のみならず、海外からも大きな注目を集めているのです。


あわせて読みたい

  • 『日本人のための科学論』 毛利 衛著 (PHPサイエンス・ワールド新書:2010)。
  • 『元素 - 文明と文化の支柱』 Philip Ball著 渡辺 正訳 (丸善出版:2013)。
  • 『科学者の目』 かこさとし著 (フォア文庫:1979)。

Hasegawa Laboratory(長谷川美貴研究室)ウェブサイト


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