新素材の合成と設計
—— 高分子に金属を組み込んだ新しい材料の創製 ——
高分子と金属は、本質的に性質の異なる材料です。高分子は柔らかく、分子鎖が絡み合った独自の構造をもち、軽量で加工しやすいという特長があります。一方、金属は電気や熱をよく通し、化学反応を加速する触媒としても働くため、エネルギー、電子デバイス、環境技術など、現代の技術社会を支える基盤材料の一つといえます。しかし、金属は「硬くて重い固体」であり、加工が難しいという大きな制約があります。また、金属と高分子では加工方法（プロセスや環境）そのものが大きく異なり、両者は本来、組み合わせられる材料ではありません。そのため、高分子に金属を組み込む（複合する）という発想自体が、これまでほとんど存在していませんでした。
私たちの研究は、この常識をナノスケールの視点から覆すところから始まります。金属をナノサイズまで小さくすると、私たちが日常的に知っている金属とはまったく異なる性質が現れます。私たちは、常温･常圧という穏やかな条件下で、固体の金属が液体のような状態へと転移する現象を見つけました。現在は、金属がまるで流体のように振る舞うナノ結晶（ナノ粒子）を独自に開発し、その振る舞いの起源と材料としての可能性を探究しています。大きさが数ナノメートルまで小さくなった金属では、原子が活発に動くことで、硬い固体とは異なるダイナミックな性質が現れます。本研究は、固体や液体といった従来の分類を超えた、新しい金属の姿を引き出す研究でもあります。
この「流れる金属」の性質を利用することで、従来は不可能と考えられてきた高分子と金属の複合が可能になります。高分子材料の内部で金属原子を流動させ、組み込むことで、電気伝導性や熱伝導性、さらには触媒活性といった金属特有の機能を高分子材料に付与することができます。これは単なる高分子材料の改良にとどまらず、材料のあり方そのものを拡張する試みです。ナノの視点から材料の常識を書き換えることで、新しい素材の可能性が大きく広がります。
本研究は、ナノスケールで現れる金属の新しい振る舞いを材料設計へと結びつけることで、軽くて柔らかいにもかかわらず電気が流れるといった、高分子と金属それぞれの長所を1つに統合した、これまでにない材料の創製を目指しています。金属的な機能をもちながら、軽量で、曲げたり伸ばしたりできるソフトマテリアルは、エネルギー・環境分野、電気電子工学、ソフトロボティクス、人間医工学など、幅広い学術分野・産業分野への波及効果が期待されます。既存の材料技術や産業基盤との親和性が高い点も、この研究の大きな魅力です。実際に研究室で行っている具体的な研究のテーマ群は、基礎から応用まで多岐にわたり、用途は多方面に広がりを見せています。
混ざらないはずのものを組み込む——その発想の転換こそが、この研究の出発点です。ナノの世界を理解し、材料が示す振る舞いの本質に迫り、自分の手で材料の常識を書き換え、それを社会に役立つ形へとつなげていく。そんな研究に、あなたも挑戦してみませんか。
本研究では、「ナノポーラスパラジウム」という、スポンジのように無数の孔をもつ金属材料を、非常にシンプルな方法で作り出すことに成功しました。出発材料は、直径わずか数ナノメートルのパラジウムナノ結晶です。通常、このようなナノ結晶の表面は不動態化しており、反応物分子が触媒表面に吸着できないため、高い触媒活性を発揮できません。