[ シリーズ ] 物理化学 13 CONTENTS 概説 p62 五感で感じられる現象のすべてを分子の視点から明らかにする東京大学濵口宏夫教授 コラム超高速分光 p66 理化学研究所田原太平主任研究員 入試情報 p68 生物物理化学 p70 京都大学寺嶋正秀教授 イオン液体 p72 岩手大学森誠之教

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1 [ シリーズ ] 物理化学 3 CONTENTS 概説 p62 五感で感じられる現象のすべてを分子の視点から明らかにする東京大学濵口宏夫教授 コラム超高速分光 p66 理化学研究所田原太平主任研究員 入試情報 p68 生物物理化学 p70 京都大学寺嶋正秀教授 イオン液体 p72 岩手大学森誠之教授 エネルギー 環境化学 p74 東京大学橋本和仁教授 授業 ゼミ紹介 p76 新潟大学郷右近展之准教授 卒業後の進路 p 年以降 6 人の日本人がノーベル化学賞を受賞するなど 化学は日本が世界をリードする学問分野である 200 年も2 人が受賞 化学の研究に大きな注目が集まった 大学における化学の教育 研究領域は大きく物理化学 無機化学 有機化学に分かれており 今回は物理化学を紹介する 物理化学は物理的な手法で物質の構造 物性 反応を探求する学問であり 測定 装置の開発とともに 対象とする物質や現象も変化してきている 高校までは 物理 と 化学 を別の科目として学ぶため 物理化学は馴染みの薄い学問領域かもしれない そこで 大学で学ぶ物理化学とはどのような学問なのか 近年の研究におけるトピックスとともに見ていこう 概説 五感で感じられる現象のすべてを分子の視点から明らかにする 東京大学大学院理学系研究科化学専攻 濵口宏夫教授に聞く 物理化学が存在しなければ化学は 錬金術 に逆戻り 大学における化学の教育 研究は 大きく 物理化学 無 機化学 有機化学 の 3 つに分類することができる 無 機化学と有機化学が それぞれ無機化合物 有機化合物を対象として それらの性質や反応 新たな化合物の合成 分離などを扱うのに対して 物理化学は化合物の範囲を限 定せず 物質の構造や状態 性質 物質相互の反応などを扱う つまり 物質全般に通用する原理や仕組みの解明を目指しているのだ 物理化学の 物理 は 物理学的な研究手法を意味する 物理学は自然界の現象を貫く普遍的な法則を追究する学問であり これまでにさ 62 Kawaijuku Guideline

2 概説コラム超高速分光理化学研究所入試情報生物物理化学京都大学イオン液体岩手大学エネルギー 環境化学東京大学授業 ゼミ新潟大学卒業後の進路まざまな物理法則を発見してきた その手法に即して あらゆる物質に共通の原理を見出そうというのが物理化学なのだ ただ 化学の研究が細分化 専門化するにつれ これらを明確に分類することが難しくなっている 金属と有機化合物が結合した有機金属化合物の研究では 無機化学と有機化学を分けることは意味がないし 有機化合物や無機化合物も その反応や構造を詳細に見ていけば 物理化学との境界はあいまいになっていく では 物理化学をどのような学問と捉えればいいのか 濵口教授は次のように説明する 物理化学は 化合物の性質や化学反応の仕組みなどに関する知識を体系的に積み重ねてきました 比喩的にいえば 物理化学のない化学は かつての錬金術に逆戻りしてしまいます 宇宙のように巨大なものから 素粒子のように極小なものまで研究対象が広範にわたる自然科学の諸学問の中にあって 物理化学は われわれが五感で感じられるものを扱う学問ということができます 化学は 分子という概念をもとに物事を理解しようとします ですから 物理化学は 物理学的な手段を使って われわれが五感で感じられる現象を 分子の視点から明らかにしていく学問 なのです 簡単な例でいえば 日常生活で当たり前のように接している水は 温度 圧力によって氷 水 水蒸気と変化する 物理化学は そうした五感で感じられる現象を分子レベルから説明しようとする学問なのだ 構造 物性 反応 の 3 本柱で物質の姿を明らかにする 構造の研究物質の構造を知ることは 物理化学の基本だ 分子の構造によって 物質の特徴や変化 他の物質との間の反応などが決まるからだ 水分子の場合は 酸素原子と 2つの水素原子を頂点とする二等辺三角形の形をしていることが解明されているが その構造をとることで 似た構造の分子よりも融点が高いなどの 化学物質としての水の特質が生じている 分子構造を明らかにするには いくつかの方法がある つは 分光法 と呼ばれるもので 高度な物理学を用いる あらゆる物質は その種類に応じて特定の波長の光 ( 電磁波 ) を吸収 放出したり 散乱したりしており それら (* ) は分子のエネルギー準位に応じた値として検出できる 研究目的に応じた波長の光を照射すれば 対象物からの応答がスペクトルの形で得られるため 対象とする分子がどんな原子で構成されていて どんな三次元構造を持っているかについての情報を得ることができるのだ また 回折法 も用いられる 回折とは 波が障害物の後ろへ回り込んで伝わっていく現象だ X 線や電子線は波としての性質を持っているため 測定しようとする物質にそれらを照射すると 反対側に回折画像が得られる その画像を分析すれば 物質の結晶構造や分子構造を明らかにできる 照射する線の種類によって 電子回折 X 線回折 中性子回折などがある なお 最近では コンピュータを活用した理論的なアプローチによる構造解析も進んでおり 実験によらない構造研究の領域も重要になりつつある 現象を説明するためには その現象を引き起こしている物質について詳しく知る必要がある そのためには 構造 物性 反応 の各側面から探究することが不可欠で これらの研究が物理化学の3 本柱になっている (*) エネルギー準位 粒子のエネルギーの状態 この場合は 物質を構成する分子の電子 振動 回転のエネルギー準位の意味 Kawaijuku Guideline

3 物性の研究物質の物理的な性質のことを物性という 物性の研究では 比熱や融点 沸点などの熱的な性質や 誘電率などの電気的な性質 透磁率などの磁気的な性質などを 分子レベルで理解することを目的としている 例えば水は 同程度の分子量の物質と比べて圧倒的に高い 00 という沸点を持つ また 一般に固体の方が液体より密度が高くなるのに対して 水は固体である氷の方が密度が小さい ( だから水に浮く ) 水がこのように他とは大きく異なる物性を示すのも 水分子が水素結合という独特な相互作用に従うからだ このように 物性の研究は 構造の研究と密接に結びついている 物性の研究は応用分野につながりやすく 応用物理学とも近い 例えば電流の流れやすさである 電気伝導性 という物性は 電気を利用する設備のコストや性能に直接影響する 電気伝導率が無限大すなわち電気抵抗がゼロになった状態を超伝導と呼ぶが 比較的高温域で超伝導を示す物質を発見または作り出すことができれば 送電線やリニアモーターなどに活用できる また 電気を通す性質を持った導電性プラスチック (* 2) などは リチウムイオン電池やタッチパネルなどの素材として盛んに開発 利用されている 他にも 光を当てると磁性が変化する物質の研究など 物性の変化とその応用を見据えた研究が多い 反応の研究化学反応がどのように起こっているのか 実はまだ詳細には分かっていない 例えば 200 年のノーベル化学賞が パラジウム触媒を使った クロスカップリング と呼ばれる技術の開発に貢献した2 人の日本人研究者 ( 根岸英一氏 鈴木章氏 ) を含む3 人に贈られたことは記憶に新しい 炭素を含む異なる化合物を自在に結合させることが可能なこの技術は 薬剤開発をはじめとして多くの産業分野で幅広く利用されているが なぜそうした反応が起きるのかは説明できていないのだ 化学の世界では 原理はよく分からなくても経験的に明らかになってきたことを積み重ねて結果を出してきた例がたくさんあります クロスカップリングもそうですし 液晶もそうです 極端な言い方をすれば 結果オーライ の世界でもあるのです それが悪いといっているのではありません 実際 世の中で利用されるのは結果の部分であり 化学の重要な一面でもあります しかし 原理が明らかになれば 反応効率を高めたり 低コストで安全性の高 い製造方法を開発したり 新規化合物の創出につなげたりすることが可能になります ですから 経験的に分かっている反応の仕組みを細部まで明確に説明することも 物理化学の大きな仕事なのです 生きた細胞の中での物質の挙動や 0-5 秒レベルでの反応の詳細を研究 物理化学の研究は 全体の傾向として 水のような小さな分子を対象にしたものから 巨大な分子を対象にしたものへと発展し 現在は複雑系を構成する分子も対象になっている 生命現象に取り組む研究は そうした潮流のつといえる 濵口研究室では 生きた酵母細胞を対象として生命現象を測定する研究を続けており 酵母細胞の分裂 死滅のプロセスに関わる分子の特定や その反応機構の解明などで成果をあげている 従来も 生体から取り出した物質を化学的に調べる研究は行われてきました タンパク質の構造決定や DNA の二重らせん構造の解明などはそうした研究成果といえます それが今では 生きた細胞の中における分子の構造や物性 反応を解明しようという方向に進化してきています 生体の場合の物性は 機能と言い換えることができるで (*2) 導電性プラスチック 白川英樹博士らによって発見されたポリアセチレンなどの電気を通す高分子化合物 2000 年にはこの功績でノーベル化学賞を受賞 64 Kawaijuku Guideline

4 概説コラム超高速分光理化学研究所入試情報生物物理化学京都大学イオン液体岩手大学エネルギー 環境化学東京大学授業 ゼミ新潟大学卒業後の進路しょう 個人的には 生命活動は化学反応そのものだと思っ ており 生体内部で化学反応がどんな役割をしているかを解明することは 物理化学の最終目標のつだと考えてい ます 構造や反応の研究においては 反応中間体 の研究も注目されている 化学反応では 反応前の物質が反応中間体と呼ばれる物質を経て 最終的に反応後の物質に変化する その反応中間体がどのようなものかを調べないと 反応の全体像を捉えることができない ただし 反応中間体 (* 3) は不安定で ピコ秒やフェムト秒という非常に短い時 間単位でしか存在しない場合がほとんどだ それを検出するには 時間分解分光という特殊な物理学的な手法が必要になる 例えば 5フェムト秒だけ光るストロボを使って光を照射すると 分子はその光を吸収して反応を開始する 口は分かれているが 高学年になり研究活動に携わるようになると これらの科目の壁は次第に低くなっていくから そこに別のフェムト秒単位のパルス光を当てて中間体のスペクトルを調べる ポンプ-プローブ という分析手法などがそれにあたる こうした超高速測定技術の原理は物理学者が発見しましたが それを実際の研究に使えるようにするのは物理化 だ 大学院レベルの研究では もはやその三者が融合しているといってもいい 大学で化学に関わる領域を学ぶ際には 物理化学は必須です その物理化学を深く理解するには 高校の化学の教科書に載っているような反応をたくさん覚えておくより 学者の役割です ですから 物理化学の研究では 従来見えなかったものを見るための装置の開発も非常に大きな比重を占めています 観測装置の開発には数年かかることも多く 装置開発に費やした試行錯誤が学位論文になること は むしろ物理の教科書をきちんと勉強する方が重要だと考えています 生命科学に興味がある人も物理を学んでおいた方がいいでしょう 物理化学は生命現象の分子レベルでの解明に向かっており 物理化学を出発点として生命科 もあるほどです イオン液体 も注目を集める研究テーマだ イオン液 体とは 常温で液体というユニークな物性を備えた塩 えんで 高度な電子部品や特殊環境下での潤滑剤としての活用が期待されている 通常 液体は分子が乱雑に集まって動いて 学の領域で大きな成果が上げることが 今後は大いに期待できるからです 物理化学の世界は 量子論が出発点になる 物質の最小単位である素粒子などの性質を説明する理論体系であり 複数の原子で構成されている分子の構造や物性 反応を考 いる状態だが イオン液体は 一部に固体のようにきちんと配列された構造があるのではないかということが分かってきた 液体の本質という物理化学の根本概念に立ち戻るような研究テーマとして 基礎から応用領域まで幅広い研究が行われている える際に不可欠なのだ 多数の粒子からなる系のエネルギーの変化などの理論を扱う熱力学 統計力学の理解も必須であり 多くの大学のカリキュラムに含まれている 物理化学を本格的に学んだ人は 五感で感じられる現象の多くをその根本から理解し説明できるようになりま 物理化学を学ぶには物理学が重要でさらに量子論 熱力学 統計力学の理解が不可欠 大学で物理化学を学べる学科は多い 理学部の化学系や生物学系はもちろん 薬学部や工学部 農学部などでも物理化学系の講座を開設している いずれも化学の 分野として扱われてはいるが 高校までの化学のイメージだけから選択すると戸惑うことになる 高校では物理 化学 生物がそれぞれ別の科目として教えられており 大学でも入 す そのため 優秀な物理化学系の学生はどの企業でも大歓迎のはずです なぜなら 現代生活は化学の力で成り立っており その化学の基本的な原理を理解していれば 問題解決や改良 開発に大きな力を発揮できるからです 化学関連メーカーだけでなく機械 電気 素材などに関わる多くの企業が 優秀な物理化学者を必要としています 物質の世界が根本から理解できる喜びに加え そこで得られた知識 技術の社会的な実用性という意味でも 物理化学は魅力的な学問だと思います (*3) ピコ秒やフェムト秒 時間の単位 0 ー 9 をナノ秒 0 ー 2 をピコ秒 0 ー 5 をフェムト秒という Kawaijuku Guideline

5 コラム超高速分光 000 兆分の 秒のスケールで物質の変化を捉える 理化学研究所基幹研究所田原分子分光研究室田原太平主任研究員 物理化学の世界では化学反応の過程に注目が集まっており 反応の途中 の観測のために超高速測定技術の開発が進められている ここで重要になるのは 時間分解分光という手法である このコラムでは 分光とは何か どのように構造 物性 反応の研究につながっているのか 理化学研究所の田原太平先生に聞いた < 図 > ール スタート さまざまな周波数で物質の 色 を見る ものを区別するとき 色は大きな判断材料になる 人間が色を区別できるのは 物体から出る ( あるいは反射する ) 光を分解して認識できる能力があるからだ 人間が認識できる光は 波長がおよそ 400nm ~ 700nm 程度の可視光と呼ばれる電磁波だけだが 電磁波には可視光より波長の長い電波や赤外線 可視光より波長の短い紫外線やX 線 ガンマ線など多くの種類がある それらの全ての電磁波の 色 を観ることができれば 物質のことがもっとよく理解できるはずだ もちろん 可視光以外の電磁波は 実際には色としては認識できない しかし色が可視光領域の電磁波の周波数の違いであるように 可視光以外の電磁波の 色 も それぞれの電磁波領域における周波数の違いと捉えることができる 物質はその構成元素の種類や結合の状態などによって 電磁波に対する吸収の割合が変化する そのため電磁波の周波数の分布 ( スペクトル ) すなわち 色 の分布を測定することで 物質の構造や動きなどが解明できる 実は これが分光学の基本的な考え方であり さまざまな電磁波を使って物質の 色 の変化を観ることで 物性や反応の実態に迫っていくのだ このように分光学は 電磁波の放出や吸収を測定する理論や方法を提供する学問だが とりわけ化学の世界では強力な研究手法のつとして認められている 田原太平主任研究員は次のように語る 化学反応でどんなことが起こっているのかを知るためには 時間軸に沿って物質がどのように変化していくのか 正確に把握することが重要です 物質の変化を 色 の変化として捉える分光学は そうした反応の過程の解明に非常に役立っているのです ( 提供 : 田原主任研究員 ) 反応を一斉にスタートさせて観察一般に 化学反応の途中経過を測定することは難しい 例えば溶液中の化学反応では それぞれの分子の反応は非常に短い時間でなされる上に 分子ごとにバラバラに起こる すると 溶液中のどの領域においても ほとんどの分子は反応前か反応後の状態にある< 図 > 反応途中の分子があったとしても 同時に反応している分子があることは稀なため 得られる 色 のほとんどは反応前か反応後の分子の 色 だからだ そこで考え出されたのが ポンプ -プローブ法 だ 最初に強い光 ( ポンプ光 ) を照射してそのエネルギーで一斉に反応を起こし 次にほんの少しだけ時間をおいて測定する光 ( プローブ光 ) を当てて写真を撮る すると ほとんどの分子が同じ時間軸で動くため 反応の途中の様子が撮影できるという原理だ< 図 2> 実際には 吸収や散乱を受けたプローブ光のスペクトルを測定して その時点における分子の状態や構造を解明していくことになる 理論的には 写真を撮る間隔を少しずつ変えて連続的に撮影すれば 全ての反応過程が把握できるはずである レーザー技術が進歩し ピコ秒(0-2 秒 ) やフェムト秒 (0-5 秒 ) といった極めて短い時間だけ光る光のパルスを使った測定が可能になりました フェムト秒の領域は ちょうど原子核が動く時間に相当するため フェムト秒レーザーを使えば 原子核の動きを観ることができます 化学反応は原子核が組み変わることであり 原子核の動きを観ることができれば 化学反応の理解が深まります 66 Kawaijuku Guideline

6 概説コラム超高速分光試情報生物物理化学イオン液体エネルギー 環境化学授業 ゼミ卒業後の進路< 図 2 > < 図 3 > 水と空気の界面における分子の状態 空 よーい 例えば 7-アザインドール二量体という物質は 紫外線が当たると隣り合った2つの分子の水素イオンがつずつ移動して構造が変化することが約 40 年前から知られていたが その反応過程はよく分かっておらず 水素イオンが つずつ移動するのか 2つ同時に移動するのか 大論争が起きていた ところが 2007 年に田原主任研究員は フェムト秒のレーザーパルスを使った実験によって この大論争に終止符を打った 水素がつだけ移動した中間状態がないことを示し 2つ同時に移動していることを明らかにしたのだ 超高速分光は 化学反応の過程でできる中間反応体や原子核の動きを解明するのに非常に強力な手法になっています これまでは主に比較的小さな分子で研究成果を積み重ねてきましたが そうした研究の積み重ねを 今 タンパク質の内部の動きや反応などの解明にもつなげようとしているところです 巨大なエネルギーで起こる変化を観る 超高速分光に使われる短い時間しか光らない光のパルスには 反応途中の分子の姿を捉えられる利点に加えて 極めて強い光を物質に当てることができるという利点もある フェムト秒レーザーは 平均 ワット程度の出力だが それが フェムト秒に集中すれば 非常に強力な光になる フェムト秒と 秒の関係は 秒と 000 兆秒の関係に等しく 000 兆秒は数千万年の時間に相当する チンパンジーとゴリラが分岐する遙か以前の時代からずっと地球上に降り注い S. SEN, S. YAMAGUCHI and T. TAHARA, "Different molecules experience different polarity at the air/water interface", Angew. Chem. Int. Ed., 48(35), (2009). できた太陽の光を 秒間に集めて照射すると考えれば どれだけ強い光になるか想像できよう 田原研究室では近年 非線形分光 という手法を改良 物質に強力なレーザーを照射し 界面の分子からのみ発せられる特別な信号をこれまでにないやり方で観測 界面上に存在する分子の状態を解明することにも成功している 例えば 水と空気の界面で 半分は水に溶けながら半分は空中に出ているような分子の存在が裏付けられ 光の位相を検出することによって界面上の分子の向きも分かるようになった< 図 3 > また 細胞膜の接する水の様子など 生体分子の界面の状況も捉えることができた 非線形分光 による界面の研究自体は 980 年代から行われていたが それを大きく進歩させる方法を田原研究室が開発したことで これまで観ることのできなかった現象が観られるようになったのだ ( 提供 : 田原主任研究員 ) 入出発点は 物事の本質に迫りたい 分光学によって それまで観ることができなかった物質の色を観ることが可能になり さらに超高速分光によって瞬間の世界を観ることができるようになったことで 化学反応の過程が明らかになりつつある このように 観測手法の開発は物理化学に大きな発展をもたらした しかし田原主任研究員は 手法の開発自体は目的ではないという 確かに新しい手法によって新しい知見が得られますし 手法の開発は物理化学者の得意とするところです しかし その出発点はあくまでも物事の本質に迫りたいという知的好奇心です 例えば現在 分子 つを捉えて測定するような単分子分光の研究手法の開発も進めていますが それは光で励起されない分子の反応や 生体分子の大きな揺らぎのような動きなど ポンプ-プローブ法では捉えられない分子の変化を捉えたいと思っているからです 知りたいけれど知る方法がない それなら知る方法を考えようというという方向で研究を進めてきたのです 分からないことがあると燃える 超高速分光などの手法開発の原点には そうした精神が息づいているのです 理化学研究所京都大学岩手大学東京大学新潟大学Kawaijuku Guideline

7 入試情報 ここでは 物理化学を主に学べる理学部系統の化学系の学科について 国公立大 私立大の入試の特徴を紹介する 志願倍率は国公立大で横ばい 私立大で上昇傾向大学で物理化学を専門的に学べる学科は 理学部化学科が中心である そこで ここでは理学部系統の化学を学べる学科について見ていく 河合塾による集計では 化学を学べる学科 ( 専攻 ) は国立大で 38 学科 公立大で 5 学科 私立大で 29 学科ある まずは 近年の入試状況について見ていこう < 表 >は国公立大 ( 前期日程 ) の化学分野の志願者数と倍率 ( 志願者 / 合格者 ) の推移である 志願者数は2 千 ~2 千百人程度であり 倍率はここ 3 年ほど 横ばいになっている < 表 2>は私立大 ( 一般方式 +センター利用方式 ) の < 表 > 国公立大前期日程化学分野志願者数推移 ( 人 ) ( ) 者数 率 ( 年度 ) 延べ志願者数と倍率 ( 志願者 / 合格者 ) の推移を示している 志願者数は増加傾向にある反面 合格者は絞り込まれているため 志願倍率は上昇を続けている 国公立大受験には 5 教科 7 科目がほぼ必須次に国公立大の入試の特徴を見てみる 国立大では 北海道大 東京大 東京工業大 名古屋大 京都大 愛媛大 高知大の7 大学が学部一括での募集を行っている ただし 北海道大と愛媛大は 後期日程は学科ごとの募集である その他の国立大はすべて学科 ( 専攻 ) 単位での募集である 公立大は5 大学中 4 大学が学科での募集 高知工科大が一括の募集を行っている 国公立大前期日程のセンター試験科目数を見ると 高知工科大の B 方式 (3 教科 3 科目 ) を除き すべて5 教科 7 科目を課している 科目ごとに見ると 数学 Ⅱ 数学 Bの受験を指定する大学が約 8 割とほとんどを占めている また 理科で化学を必須としている大学は埼玉大 お茶の水女子大 新潟大 富山大 信州大 神戸大 島根大 琉球大の 8 大学である 後期日程でも 国立大は東京大 (5 教科 6 科目 ) 山口大 高知大 (4 教科 5 科目 ) 広島大 (3 教科 5 科目 ) 富山大 (3 教科 4 科目 ) 茨城大 (3 教科 3 科目 ) を除き すべての大学がセンター試験で5 教科 7 科目を課している 一方 公立大は首都大学東京のみが 5 教科 7 科目である < 表 3>は2 次試験の試験科目を集計したものである 前期日程では 英 数 理 2 の3 教科 4 科目を課す大学が最も多く 8 募集区分ある < 表 2> 私立大化学分野志願者数推移 ( 河合塾調べ ) < 表 3> 国公立大前期日程の 2 次試験教科パターン ( 人 ) ( ) 者数 率 ( 年度 ) ( 河合塾調べ ) 教科数 2 次試験教科パターン募集区分 4 教科 英 数 国 理 教科 2 教科 教科 教科なし 英 数 理 2 英 数 理 数 理 数 理 2 ( 数 理 2 2) 理 数 ( 数 理 ) 総合問題情報 合計 53 ( 河合塾調べ ) 68 Kawaijuku Guideline

8 コラム超高速分光入試情報生物物理化学イオン液体エネルギー 環境化学授業 ゼミ卒業後の進路概< 表 4> 私立大 一般方式教科パターン 化学科 難易度一覧 ( 抜粋 ) ( 河合塾調べ ) 奈良女子 ( 理 - 化学 ) 福岡 ( 理 - 化学前期 ) 国公立大私立大募集教科数教科パターン区分一般方式一般方式化学系化学系 英 数 理 30 偏差値偏差値 ( 英 数 国 理 地公 3) 東京 ( 理科一類 ) 慶應義塾 ( 理工 - 学門 3) 英 数 理 京都 ( 理 - 理 ) 65.0 早稲田 ( 先進理工 - 化学 生命化学 ) 英 ( 数 国 )( 数 理 ) 2 3 教科早稲田 ( 先進理工 - 電気 情報生命工 ) 数 ( 英 数 )( 数 国 理 ) 東京工業 ( 第 類 ) 東京理科 ( 理 - 化学 B 方式 ) 英 数 ( 数 理 ) 60.0 大阪 ( 理 - 化学 ) 60.0 英 理 ( 数 国 ) 東京理科 ( 理 - 応用化学 B 方式 ) 北海道 ( 総合理系 - 化学重点 ) 英 ( 数 国 )( 理 地公 ) 日本女子 ( 理 - 物質生物科学 ) 東北 ( 理 - 化学系 ) 英 数 4 立教 ( 理 - 化学個別日程 ) 千葉 ( 理 - 化学 ) 57.5 英 ( 数 国 ) 立命館 ( 生命科学 - 応用化学理系 A お茶の水女子 ( 理 - 化学 ) 数 ( 英 数 理 ) 4 方式 ) 名古屋 ( 理 ) 理 ( 英 数 ) 4 神戸 ( 理 - 化学 ) 青山学院 ( 理工 - 化学 生命科学 A ( 英 数 国 理 2) 3 方式 ) ( 英 数 国 理 2 2) 3 筑波 ( 理工 - 化学 ) 教科学習院 ( 理 - 化学 ) 数 ( 英 数 ) 2 横浜国立 ( 理工 - 化学 - 化学 法政 ( 生命科学 - 環境応用化学 A 方式 ) 数 ( 英 理 ) 化学応用 ) 英 理 小 大阪市立 ( 理 - 化学 ) 北里 ( 理 - 化学 ) ( 英 数 理 2) 九州 ( 理 - 化学 ) 52.5 法政 ( 理工 - 創生科学 A 方式 ) 英 ( 数 理 ) 関西学院 ( 理工 - 化学学部個別日程 ) 数 理 首都大学東京 ( 都市教養 - 理工 - 化学 ) 近畿 ( 理工 - 理 - 化学前期 A 日程 ) 50.0 理 2 教科金沢 ( 理工 - 物質化学 ) 甲南 ( 理工 - 機能分子化学 A 日程 ) 理 調 静岡 ( 理 - 化学 ) 東邦 ( 理 - 化学 A 日程 ) 合計 78 大阪府立 ( 理 - 分子科学 ) 47.5 日本 ( 文理 - 化学 A 方式第 期 ) 熊本 ( 理 - 理 ) また 東京大 名古屋大 京都大では最も東海 ( 理 - 化学 A 方式 ) 45.0 山形 ( 理 - 物質生命化学 ) 福岡 ( 理 -ナノサイエンス ( 化学 ) 前期 ) 負担の重い 英 数 国 理 2 を課して茨城 ( 理 - 理 - 化学 ) 42.5 神奈川 ( 理 - 化学前期 A 方式 ) 富山 ( 理 - 化学 ) いる 理科の選択は化学を必須としている東京理科 ( 理 ( 第二部 )- 化学 B 方式 ) 信州 ( 理 - 化学 ) 神奈川 ( 理 - 総合理学プログラム前場合が多いため この系統の志望者には化岡山 ( 理 - 化学 ) 期 A 方式 ) 広島 ( 理 - 化学 ) 学の履修を勧めたい 数学は 富山大 鹿徳島 ( 総合科学 - 総合理数 ) 城西 ( 理 - 化学 A 日程 ) 高知 ( 理 -( 理科受験 )) 明星 ( 理工 - 総合 - 生命科学 化学 A 児島大を除き 数学 Ⅲ 数学 C までを課 37.5 方式 ) 茨城 ( 理 - 理 - 学際理学 ) している 倉敷芸術科学 ( 生命科学 - 生命科新潟 ( 理 - 化学 ) 学前期 A) 47.5 山口 ( 理 - 生物 化学 ) 愛媛 ( 理 - 化学受験コース ) 国士舘 ( 理工 - 基礎理学前期 ) 私立大の受験科目は鹿児島 ( 理 - 生命化学 ) 国士舘 ( 理工 -フレキシブル前期 ) 2~3 科目が大半 明星 ( 理工 -フレキシブル A 方式 ) 35.0 金沢工業 ( バイオ 化学 - 応用バイオ前期 ) 金沢工業 ( バイオ 化学 - 応用化学 前期 ) 岡山理科 ( 理 - 化学前期 SA 方式 ) 最後に私立大の入試方式ごとの特徴につ 45.0 いて見ていこう センター方式は学習院大 慶應義塾大 早稲田大を除く大学で実施している 実施している 69 募集区分の教科 科目数を見ると 3 教科 3 科目と2 教科 2 科目で約半数を占めている 3 教科 3 科目は 英 数 理 2 教科 2 科目は地歴 公民を除く各教科から2 教科を選択するパターンが多い 国公立大と同じ7 科目を課している大学は 関西学院大と立命館大のみである センター試験と独自試験の両方を課す併用方式も 8 大学が実施している < 表 4>は一般入試の教科パターン別の募集区分数を 弘前 ( 理工 - 物理科学 ) 弘前 ( 理工 - 物質創成化学 ) 島根 ( 総合理工 - 物質科学 ( 化学受験 )) 高知工科 ( 環境理工 -A 方式 ) 琉球 ( 理 - 海洋自然科学 ( 化学系 )) ランクなし埼玉 ( 理 - 基礎化学 ) 国公立大は前期のみ 予想難易度は 200 年 月現在 集計した表である これを見ると 3 教科が 44 区分 2 教科が 30 区分で 大半を占めている 数学は数学 Ⅲ 数学 Cを出題範囲とする大学が約 35% の 27 区分 数学 Ⅱ 数学 Bが約 33% の 25 区分など 大学によって異なるので 数学の出題範囲も確認しておきたい 理科はほとんどの大学でⅡまでが必要で Ⅰ 科目で受験できるのは城西大 明星大の2 大学だけとなっている 理化学研究所京都大学岩手大学東京大学新潟大学説Kawaijuku Guideline

9 の学 学 生物物理化学 人間が合成した高分子には真似のできない生体分子の反応や機能の解明に挑む 京都大学大学院理学研究科寺嶋正秀教授 物理化学は小さな分子から大きな分子へ そして複雑系を構成する分子へと研究対象を広げてきた その研究領域を生体分子へと拡張し 生命現象を分子のレベルで明らかにしようとする研究領域が生物物理化学だ 生体分子の構造や機能を明らかにするため 熱力学的な手法と分光法を融合させた新たな研究手法も開発されている また 生体分子の反応に 揺らぎ の概念を導入する試みも始まっている 生命現象の根幹であるタンパク質のダイナミクスを捉えることが必要 すべての生命体は DNA から出発しています しかし DNA は生命そのものというわけではありません 生命は外界から栄養を取り入れ 再合成して自らを維持しており そうした生命活動のほとんどはタンパク質の反応に支えられています タンパク質は DNA の情報を元に合成されていますが DNA は単なる設計図にすぎず 合成されたタンパク質はそれぞれ独自の化学反応を起こすことで 生命活動に必要な特定の機能を発揮しています つまり 生命現象の根幹は タンパク質の反応の連続だといえます この前提に立って 私たちはタンパク質の反応を物理化学者の立場から研究しています 中でも大きな割合を占め (* ) ているのが 光受容タンパク質を対象とした研究です 生命体が光を感じるためにはそれに反応するタンパク質が必要であるため ほとんど全ての生命体は光受容体を備えており そこには光受容タンパク質が存在しています 動物の目の中には視覚を司る光受容タンパク質がありますし 植物では光受容タンパク質による情報が発端になって成長や光合成が進行していきます このように光受容タンパク質は生命にとって非常に重要なタンパク質なのです タンパク質などの生体分子の反応を明らかにするには大きな困難が伴います なぜなら 従来の研究手法では タンパク質の反応の全容を捉え切れないからです 物理化学にはさまざまな研究手法がありますが 代表的なものは大きく2つあります つはエンタルピー (* 2) やエントロピー (* 3) などを測定する熱力学的な手法です これは物理化学の出発点でもあり 分子の構造や物性 反応 (*) 光受容タンパク質 外界からの光を刺激として受け取るタンパク質 (*3) エントロピー 乱雑さの尺度 当初は熱力学における不可逆性を表現する量だったが 現在では原子や分子の乱雑さを表す 70 Kawaijuku Guideline を表す方法として早くから確立されてきました もう つは 分光学 (66 ページ参照 ) を用いる手法です 小さな分子の場合は 分光学的な手法で反応の全体像を把握することも可能ですが 巨大で複雑なタンパク質は反応の過程で劇的な分子の組み替えが起こるため タンパク質反応の全容を捉えるには 時間分割的な熱力学量の測定が不可欠です ところが 熱力学的な手法では時間分割的なダイナミクスは見えず 分光学では熱力学的な性質が見えないため うまく組み合わせることが必要になるのです 光を使った温度検出や体積計測によりエネルギーや形状の時間的変化を観測する 物理化学の研究では 研究手法の開発は非常に重要です これまで見えなかったものを見えるようにすることで 多くの知見が得られるからです 私たちは タンパク質の全体像を知るために タンパク質の熱力学量を分光学的に観測できる新しい研究手法を開発しました つは 光を使った温度検出です 温度は熱力学量の決定に不可欠ですが 従来は高性能な温度計でさえマイクロ秒 (0 6 秒 ) 単位での計測しかできず 反応が進むスピードに合った温度計測は不可能でした そこで 屈折率を使った温度計測を考案しました 温度が上昇すると屈折率が変化します その屈折率変化を高感度に観測することで ピコ秒 (0 2 秒 ) 単位の時間分解温度計測が可能になったのです タンパク質に光が当たったことで起きるエネルギー変化を 屈折率を通して 温度変化として捉えられるようになったわけです もうつは 光を使った体積検出です 体積は日常レベルの物質では明確に定義できますが 分子レベルになると (*2) エンタルピー 熱含量ともいい 物質の熱の出入りや仕事に関係する物理量 物質の温度が上がればエンタルピーが上昇し 外部に仕事をすればエンタルピーは減少する 定圧下では ある系に出入りする熱量と等しい

10 概説コラム超高速分光理化学研究所生物物理化学京都大学イオン液体岩手大学エネルギー 環境化学東京大学授業 ゼミ新潟大学( 提供 : 寺嶋教授 ) ( 提供 : 寺嶋教授 ) の進路< 図表 > 光を用いた体積変化の検出 < 図表 2> 揺らぎが機能を決める生体分子の科学 概要 それほど明確ではありません 例えば 溶媒分子を強く引き付けるような分子構造を持った物質を溶媒に入れれば その溶液の体積が減ります ( 負の体積 ) このように体積は分子構造と密接に結びついているため 体積を計測することは 構造変化の検出につながります この体積変化も 屈折率を計測することで検出が可能です < 図表 > こうして 屈折率を観測することで 光受容タンパク質の反応時における温度変化と体積変化 すなわち 反応に従ってエネルギーがどう変化していくのか 形状がどう変化していくのかを ピコ秒レベルで解明することが可能になったのです しかし 巨大で複雑な構造を持つタンパク質分子の反応は つの手法だけで全容を解明できるわけではありません 現在では いくつかの光受容タンパク質に関しては 他の手法で得られた研究成果と合わせて 反応過程が大まかに理解できるようになってきましたが 今後もさらに詳細な分析が必要です また 光に反応しないタンパク質についても この手法を適用した研究を進めています 生体分子の 揺らぎ に注目し 鍵と鍵穴 を超える新モデルを提起 生体分子のダイナミックな反応では 揺らぎ も大きな テーマとして浮かび上がっています ナノメートル (0 9 m) 以下の生体分子は 体温環境下の溶液中で機能するため 常に熱の揺らぎにさらされており 分子自体も常にランダム に揺れ動いています この揺らぎの存在は以前から知られ ていましたが 生体分子の反応は揺らぎとは関係なく起こ るものだとされており 揺らぎは反応にとって邪魔なものだ と思われていました ところが 生体分子の揺らぎを止め ると ほとんど機能しなくなることが近年の多くの研究に よって明らかになってきました つまり 揺らぎこそが生体 分子反応の本質であることが分かってきたのです 生体分子の反応に関しては 酵素における 鍵と鍵穴 の関係で説明されるモデルがよく知られています ある酵素の鍵穴に 構造的にぴったり合う鍵を持った物質だけが反応するというモデルです 生体分子の反応を考える上で こうした構造は非常に重要な概念ですが 揺らぎの研究によって 生体反応が構造だけに依存しないことも明らかになってきています 私たちは 医学や薬学などの他の分野の研究者とも連携しながら 揺らぎの研究プロジェクトに取り組んでいます これは 揺らぎが機能を決める生体分子の科学 として文部科学省の 新学術領域研究 にも採択されており 揺らぎを観る 揺らぎを作る 揺らぎと機能 の 3つのテーマで研究を進めています< 図表 2> 私が研究班長を務める 揺らぎを観る では 主に揺らぎの検出方法の開発を行うと同時に 生体分子における構造やエネルギーに関する揺らぎの理論の解明を目指して研究を進めています プロジェクト全体では 細胞の老化と関係しているとされるテロメア (* 4) と揺らぎとの関係や 細胞膜の揺らぎを利用して がん細胞の自滅を誘導する研究なども行われています 将来的には 揺らぎを制御することで 病気の治療や新薬開発につなげたいと考えており 揺らぎの研究を通して 鍵と鍵穴モデルに替わる新たな生体分子のモデルも提起できるのではないかと考えています 生体分子は 万もの分子量を持つ高分子化合物です しかし 人間が合成した高分子と決定的に違うところは 分子のある部分の構造や形状などが それだけできちんと目的を持って機能するということです これだけ科学技術が進歩しても まだ人間にはそういった高分子を作り出すことはできません そこに生体分子を物理化学的に研究する魅力があるのです 入試情報卒業後(*4) テロメア 染色体の末端部分で 細胞分裂を繰り返すと短くなり それが細胞老化や個体の老化と関わっているという Kawaijuku Guideline

11 イオン液体 真空でも蒸発しない イオン液体 を摩擦や摩耗を制御するトライボロジーに応用 岩手大学工学部応用化学 生命工学科森誠之教授 ( 日本トライボロジー学会会長 ) 常温で液体状態のイオン液体は その独特な物性が産業界の大きな期待を集めている 他の物質との反応性が低いため 有機合成の際に合成させる物質を溶かす溶媒として使える可能性があるほか 電流をよく通す性質から電解質としての利用も検討されている また ほとんど蒸発しないため 最近では真空中や精密機器内部など極限環境における可動部分の潤滑油としても最適だと考えられており 摩擦制御の観点からの研究も進められている 多彩な特性を持たせた分子設計が可能で幅広い応用分野が期待されるイオン液体 イオン液体とは 常温域で液体として存在する 塩 ( え ん ) の総称です 塩は食塩 NaCl のように 陽イオンと 陰イオンが相互に電気的に引き合い イオン結合によって結びついた化合物です そのため イオン結合された分子は 陽イオンと陰イオンが規則正しく並ぶ結晶構造を作りやすく 固体になりやすい傾向があります ですから一般的な塩は 常温で固体 すなわち融点が高いのです これに対して常温で液体のイオン液体は 融点が極めて低い塩ということになります 融点が低い理由の一つは 分子の大きさが他の塩の分子に比べて大きいという イオン液体の特異な分子構造にあります 塩は陽イオンと陰イオンが電気的な力で引き合ってできているのですが 分子のサイズが大きいと この力が及びにくくなり 固体となりにくくなる つまり融点が低くなるのです イオン液体は他にも 蒸発しない 他の化合物との反応性が低い ( 化学的に安定 ) 電気を通しやすいなどの独特な物性を持っています イオン液体の存在は以前から知られていましたが 応用面での研究はあまり進みませんでした ところが 990 年代から分子設計の技術が発展し 陽イオンと陰イオンを自在に組み合わせて 多様なイオン液体が合成できるようになると 上記の特性を多くの産業分野に応用しようと 急速に注目が集まるようになりました 溶媒や電解質の材料としてだけでなく潤滑油として利用する研究もスタート イオン液体の応用研究は 溶媒として利用する方法の模索から始まっています 有機合成では一般に有機溶剤が使われていますが 合成の過程で化合物と反応して溶媒としての機能が低下してしまうために繰り返し使うことができず 環境への負荷も大きいことから 十分な廃棄処理を行う必要があります そこで グリーンケミストリー (*) の観点から 化学的に安定な つまり他の化合物との反応性が低いイオン液体を溶媒として利用しようという考え方が出てきました 化学的安定性 のほかにも イオン液体の 蒸発しない という特性は 反応物との分離に極めて有利です 高温に加熱しても溶媒だけが液体のまま残るため 蒸留法などにより 反応物だけを取り出すことができるからです また 電解質への利用を目指した研究も盛んです イオン液体は電流を通すため この中にさまざまな物質を加えれば電気化学反応を起こすことができます しかも蒸発せず化学的に安定ですから 長期間使うことができます そのため コンデンサやリチウムイオン電池 燃料電池など < 図表 > イオン液体の特徴と潤滑油としての性能 イオン液体 気圧が い熱容量が大きい 度が 度溶解性熱分解温度が高い化学 定性が高い 潤滑油真空用潤滑油 効果流体潤滑効果 ( くさび効果 ) 加 の溶媒高温用潤滑油 な での潤滑油 ( 提供 : 森教授 ) (*) グリーンケミストリー 化学物質の製造から使用 廃棄 再利用まで通して 環境への負荷を小さくし 生態系への影響を極力少なくしようという考え方 72 Kawaijuku Guideline

12 コラム超高速分光入試情報生物物理化学イオン液体エネルギー 環境化学授業 ゼミ卒業後の進路概の素材として期待が集まっています 潤滑油は 人工衛星などの大きなものからハードディスクといった小さなものま で さまざまな機械に用いられている これらにもイオン液体の潤滑油を活用でき最近ではトライボロジーへの応用研究も始まっていまないか 検討中だ ( 提供 : 森教授 ) す トライボロジーは摩擦や摩耗に関する総合的な研究領域であり 例えば機械の歯車や自動車の車軸など 接触部分の現象について さまざまな専門知識を用いて研究します 機械の接触部分に用いる潤滑油は 物体と物体の間に入って油膜を作ることで 物体同士の摩擦や摩耗を減らす役割があります そのため 潤滑油はある程度の粘度を持 ハードディスク 人工衛星 ち その粘性が変化しないことが必要ですし 蒸発や化学 ( 提供 : 株式会社日立グローバル (JAXA デジタルアーカイブスより ) ストレージテクノロジーズ ) 変化などによる損失も少ないことが求められます こうし た条件に合う物質として イオン液体が注目されています < 図表 > あまりありません それに加えて 粘度も適度に調整できるため イオン液体は潤滑油として適しているのです イオン液体は 国際宇宙ステーションで使われるロボッ 潤滑油に必要な性能を実現するためイオン液体の分子構造や物性を研究 トアームや 観測衛星の可動部品など 宇宙で活躍する機 械の潤滑油としての活用も期待されています 宇宙は真空 私たちの研究室では イオン液体を潤滑油に応用する研究を世界に先駆けて行ってきました 潤滑油にイオン液体を用いる場合は 有機溶剤や電解質として利用する場合とは異なり 力学的な作用も考慮しなくてはなりません 例えばボールベアリング (*2) の潤滑を考えてみましょう < 図表 2> ボールベアリングが回ると ボールがマイクロリアクター (*3) として働き ボールと内輪 外輪の接触面で さまざまな化学反応が起こります 物体の接点を覆う油膜には~3 万気圧もの圧力がかかります しかも 000 分の 秒程度の短い時間で 大気圧 ( 海面では 気圧 ) から 万気圧程度まで上昇し また一気に大気圧まで戻ります 摩擦面が動くことで 一瞬にして潤滑油の分子の結合が切断 ( せん断 ) されてしまうことも起こります 同時に 摩擦熱により 接触場は数百度の高温になります すると 次第に潤滑油としての性能が低下し 機械の故障につながるのですが イオン液体は こうした高温で過酷な状況でも分子が壊れにくく 性質の異なる物質に変質することも < 図表 2 > 力学的エネルギーが関与する接触場の物理化学 ですから 一般的な潤滑油では蒸発してしまいます すると 機械そのものの機能が低下するだけでなく 蒸発した潤滑油の粒子が光学系などに付着したりして 観測機器に致命的な被害を与えることもあります そのため 固体の潤滑剤が用いられてきたのですが 潤滑剤が減少したり劣化した場合 追加したり交換することが困難なため 宇宙空間で用いることのできる液体の潤滑油が求められてきました そこで 蒸気圧が低く 真空中でもほとんど蒸発しないイオン液体に注目が集まっているのです ほとんど蒸発しないという物性は 精密機械に用いる潤滑油としても適しています コンピュータなどのハードディスク表面には約 nm の厚さで潤滑油が塗布されており その用途にイオン液体を応用する研究も進めています このように 潤滑油といっても さまざまな用途があり それぞれに適した性能が求められます そこで私たちは どのような分子構造のイオン液体ならば 求められる潤滑に適した性能を発揮できるのかなどを検討しています 潤滑油はさまざまな添加物と組み合わせて用いられるため イオン液体と添加物の関係なども調べていますし 従来の 潤滑油の中にイオン液体を添加物のように加え 潤滑能力 を高める研究も進めています イオン液体以外にも 工学の発展につながることが期待 される物理化学的な研究課題はたくさんあります 化学は実 験を通して発見できる現象がたくさん残っており 説明のつ かない実験データが新発見につながった事例も枚挙にいと まがありません 諦めずに実験を続ける情熱を持った学生が 多数この分野に挑戦してくれることを願っています (*2) ボールベアリング 回転する軸を支える機械部品で 内輪と外輪の間にボールを挟み ボールの転がりを利用して摩擦を小さくしたもの 自転車の車輪を支えている軸の部分などに使用されている (*3) マイクロリアクター 一辺あたり mm 以下の大きさの空間で化学反応を行う装置 Kawaijuku Guideline 理化学研究所京都大学岩手大学東京大学新潟大学説

13 の学 学 私たちの研究室では物理化学を基礎として エネルギー 環境に関わる研究を行っています 研究手法は多岐にわたり 無機化学や有機化学 さらには分子生物学など異分野の知識を積極的に導入していくことを心がけています また 研究のための研究ではなく 成果を社会に還元していくことを目指しています 私たちの研究成果のうち 酸化チタン (TiO2) の光触媒反応を活用した環境浄化材料は 既に世の中で使われています 酸化チタンに太陽光を当てると 表面の汚れを分解するだけでなく 空気中の汚染物質を分解したり 殺菌作用まで出現します これは 太陽光に含まれる紫外線によって酸化チタンの電子が高いエネルギー状態に励起され 強い酸化力を持 (*) つ正孔が生成され 汚染物質や細菌が酸化分解されるためです このような作用を示す物質は光触媒と呼ばれ 我々は早くから研究を進めてきました 現在抗菌タイルや防汚建材などとして世界中で広く使われています ここで重要なことは 酸化チタンは 地球上に豊富に存在する物質で 光触媒反応も自然界の中で当たり前に生じていることです 20 世紀の科学は 地球上のさまざまな資源を際限なく使えるという前提のもとに発達してきたように思えますが その結果 地球規模の環境 エネルギー問題が顕在化しました そこで 2 世紀の科学では 自然の仕組みをそのまま使いながら便利な社会を求めていくように考え方を転換する必要も出てきたと考えています 特に化石燃料に代わるエネルギー開発は切実な問題で 太陽電池に大きな期待が集まっています 私たちの研究室では エネルギー 環境化学 自然との調和を目指す 2 世紀型の科学 東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻橋本和仁教授 エネルギー問題は 2 世紀の最大の課題の つであり 環境負荷の小さな自然エネルギーへの期待は大きい 物理化学では光と物質の相互作用は重要なテーマであり 新しい太陽エネルギー獲得法の開発も主要な研究対象になる 最近は シリコンなどの無機物質だけでなく 有機物質や生命体などを光エネルギー獲得物質として利用する研究が大きな脚光を浴びている 自然界の仕組みをそのまま利用しながら便利な社会を求めていくことが重要に 物理化学の知見をベースに 有機ポリマー (* 2) 太陽電池 の研究を進めています これは 溶媒に溶ける p 型半導体と (* 3) n 型半導体のポリマーを用いて 塗っただけで発電できる太陽電池を目指すものです 壁に塗ることもできれば 屋上にしか設置できない従来の太陽電池と比べて広い面積に使えるでしょうし 古くなって発電効率が落ちたら塗り直せばよい といった大きなメリットが期待できます 有機物からできているため環境負荷が小さいことも利点です 本格的な実用化には乗り越えなければならない技術の壁も高いのですが 自然回帰型の科学技術として研究を進めています 分子生物学の成果を応用した人工光合成システムへの展開 分子生物学の進展により 2 世紀の生命科学は想像もつかないような展開を見せています これらをヒントに私たちの研究室では生物の機能に注目して太陽エネルギーを獲得するというテーマに取り組んでいます このテーマの一つとして 人工光合成 が話題になっています 植物の光合成のエネルギー変換効率は最大でも 5% 程度ですが 太陽電池は最も一般的に使われている多結晶シリコン型で 0% 以上 最先端のものでは 40% に達します エネルギー変換効率から見れば 人類は光合成をはるかに上回る技術を手にしているのです しかし 人工のシステムと異なり 植物は光合成で得たエネルギーの一部を自己の修復や増殖に使うことができ 放っておいてもどんどん増えていくことができます そしてこのことが光合成の本質なのだと気づきました 現在の科学技術では 太陽光から得たエネルギーを自己に還元させ 成長していくような人工光合成システムを作 (*) 正孔 固体の結晶構造の中の電子が欠落した部分で あたかも正の電荷を持った電子のようにふるまう (*2) ポリマー 小さな単位化合物の重合反応によって生成された 鎖状や網状になった化合物のこと 一般的に高分子の有機化合物 (*3) 半導体 導体と絶縁体の中間の電気伝導率をもつ物質 電圧をかけられたときに正孔の移動により電気が通る p 型と 電子の移動により電気が通る n 型を組み合わせて利用される 74 Kawaijuku Guideline

14 コラム超高速分光入試情報生物物理化学イオン液体エネルギー 環境化学授業 ゼミ卒業後の進路ることはできません そこで 私たちは生物の機能をその まま使ったエネルギー変換システムを模索しています 人 類はアルコール発酵など 生きた有機体を使ったエネルギー変換システムを長年使ってきましたが 生きたシステムを使って太陽光を電力などの人類の使いやすいエネルギーに変換するという発想はこれまでほとんどありませんでした そのため 物理化学的に全く新しいアプローチをする必要があります そこで我々が注目したのが 生きた微生物の細胞外電子移動プロセスです 光合成を行う植物や微生物を組み合わせ自然システムの中からエネルギーを取り出す 人間と同じように多くの微生物も 食物 ( 有機物 ) を摂取することによりエネルギーを獲得し 運動したり増殖したりしています この過程ではさまざまな化学変化が起こっていますが その駆動力の基となっているのは有機物中の電子が持つエネルギーです そこで 生命活動を電子エネルギーの面から捉えてみましょう 生体内では 有機物を分解しながら電子エネルギーを低下させ その反応とカップルさせることによってエネルギー通貨とでも呼ぶべき物質 ATP (* 4) を合成しています 有機物が持っていた電子は体内でエネルギーをどんどん下げ 最終的には呼吸により酸素に渡されて水を生成します この一連の過程を代謝と呼びます 酸素に渡されたときの最終状態と 食物として取り込まれた時点の電子のエネルギー差は約.3eV です 言い換えると 我々は生きるためにこれだけの電子エネルギーを使っているのです ところが 酸素がほとんどない環境で生きる嫌気性の微生物 例えばメタン発酵菌は 有機物を食物として生きていますが 電子を最終的に二酸化炭素に渡します この代謝過程で得られるエネルギーはせいぜい 0.5eV 程度であり 人間などの酸素を使って生きる生物と比べ 0.8eV ほど少ないエネルギーを獲得するだけで生命活動をしているとみなすことができます このような嫌気性の微生物の中には 二酸化炭素の代わりに電極に電子を放出するものがあります このような微生物を活用して 電気エネルギーを得ようとするのが 微生物燃料電池 の発想です 通常の燃料電池は 水素の電子を酸素に渡すことで最大.23eV のエネルギーを得ることができますが 微生物燃料電池も理論的には eV 程度を取り出せる可能性があるのです < 図表 > 微生物の組み合わせによる発電のメカニズム ( 提供 : 橋本教授 ) 概エネルギーを太陽光から得ている光合成微生物を使えば 微生物太陽電池 の可能性も出てきます 自然界には電子を外部電極に取り出せる光合成微生物はまだ知られていませんが 最近私たちの研究室で 東京大学本郷キャンパス内の三四郎池からサンプリングした水をそのまま光だけで培養したところ 電流を取り出せる微生物集団ができることがわかりました 調べてみると 太陽光エネルギーを用いて有機物を合成する光合成微生物と その有機物をエサとして電流を発することができる電流発生微生物が選択的に増殖し それらがお互いに助け合って生きていました< 図表 > つまり 微生物同士を組み合わせれば 太陽光から直接電気エネルギーを取り出すことができ 池全体を太陽電池にできる可能性もあることがわかったのです また 水田全体を太陽電池にする 田んぼ発電 という発想も出てきました 水田は水が張られており 土壌中の酸素は欠乏しているため 二酸化炭素に電子を渡す嫌気性の微生物が多く生息しています そこで田んぼに電極を刺して実験してみると 確かに電流が流れるのです 詳しく解析してみると 稲は太陽光を受けると光合成により自分自身が成長するだけでなく 根からも有機物を放出しており その有機物を栄養として微生物が電流を発生させていることが分かりました 田んぼ発電は 稲と微生物によるハイブリッド太陽電池ともいえます これらはいずれも自然のシステムに少し工夫を加えた自然回帰型の科学といえます エネルギー変換効率の高い微生物を遺伝子工学的に作り出すこともできますが これからの時代は 今以上に自然と調和するように科学の方向性を変えていくべきではないかと考えています そのような転換点にある現在 さまざまな分野を自由に行き来できる物理化学を学ぶことには大きな意義があると確信しています 理化学研究所京都大学岩手大学東京大学新潟大学説(*4)ATP すべての生物に存在する化学物質で アデニン リボース 3 分子のリン酸で構成されるアデノシン三リン酸のこと 生体内のエネルギー通貨の役割を果たす Kawaijuku Guideline

15 の学 学 授業 ゼミ紹介 学生の理解度を重視し実験を一連の科目の中心に据える 新潟大学超域研究機構郷右近展之准教授 ここでは大学で行われている授業 ゼミの内容について紹介する 新潟大学工学部化学システム工学科は 2 年次 2 学期から 応用化学コース と 化学工学コース に分かれ講義を受ける 応用化学コース の 3 年次 学期に必修科目として開講している 物理化学実験 は 他の講義や演習と関連付けられているほか 実験前に演習問題を解くというスタイルで教育効果を高めている 講義や演習の中で実験との関連を意識させる新潟大学工学部化学システム工学科の応用化学コースは 新物質 新素材の設計開発や 合成 分析手法の確立などにおいて中心的な役割を果たす化学技術者 研究者の育成を目的としている こうした分野で活躍するには物理化学の知識や技術が不可欠であるため 物理化学系の授業科目を豊富に用意している 学生はまず 年次の2 学期に 基礎物理化学 で熱力学の基本的な知識に加え 熱力学第一法則 同第二法則 ギブズエネルギー (* ) の概念などを学ぶ 2 年次 学期の 物理 (* 2) 化学 Ⅰ では 平衡を理解するための化学ポテンシャルや相図 活量などを学び 各種状態量を読み取る力を身につける 2 年次 2 学期にはコースに分かれ 応用化学コース を選択した学生は ギブズエネルギーの概念を使って電気化学平衡の分野へと発展する 物理化学 Ⅱ 化学反応に必要な時間を決めるための反応式や反応機構を理解する 反応速度論 を履修する 3 年次になると 物理化学実験 と並行して 量子化学の内容を扱う 物理化学 Ⅲ 2 学期にはそれをさらに発展させた 物理化学 Ⅳ を学ぶ このほかに物理化学系の演習科目も履習できる < 図表 > 物理化学実験は こうした体系的なカリキュラムの中心に位置し 2 年次の物理化学系科目で基本的な知識を身に付けてから臨むように組み立てられている しかし いずれも選択科目のため すべての科目を履修しない学生もいる 実験を担当する郷右近准教授は 本来は物理化学系の科目を全て履修していることが望ましいのですが 難しいのが現状です そこで 実験に自発的かつスムーズに入っていけ < 図表 > 物理化学系の授業構成 ( 新潟大学シラバスより作成 ) るようにさまざまな工夫を行っています 例えば 物理化学系の教員は 開 学期 年次 2 学期 科目名基礎物理化学 内容熱力学の基礎 すべての化学系科目およ 化学工学系科目において物質の状態や変化を うときに 要となる熱力学に関する基礎知識を学習する 各自の講義科目や演習科目の中で 学生に講義内容が実験 社会のどの 2 年次 学期 物理化学 熱力学の応用 平衡を するために化学ポテンシャルを導入する ような場面で役立つのかを意識させ相 を利用して 種状態量を み取る るようにしています きちんと理解 基礎物理化学 物理化学 の 義で学んだ熱力学を基礎として 化学平衡物理化学 論を学 さらに化学ポテンシャルの を基に電気化学ポテンシャルを理 2 年次 2 学期解して電気化学平衡の基礎を学 しておかないと 実験 卒業研究 卒業後に技術者や研究者になってか ら苦労するため 学生の授業への取 反応速度論 種 の反応における反応速度の解 法や反応機構について解 する り組み方が変わってきます と話す 物質の構造を理解するための量子化学の基礎について学 物質の基本物理化学 単位である原子の構造を量子化学的手法により理解する 3 年次 学期 実験のテーマを絞って 3 年次 2 学期 物理化学実験物理化学 応用化学 習 ( 物理化学系 ) 物理化学 義科目で学習した内容を実験で観 する手法を学 これを実 して結果の解 を行い レポートを作成する 分子 道法の基礎と実際について 義と 習を行う 習問題の解 を通じて 熱力学 反応速度 量子化学の物理化学に関する の理解を深め 基礎 応用問題を解 できる能力を 得する 理解度を高める実験のスタイルも変更し 実験前に演習問題を解くようにした 物理化学実験 は原則として連続 (*) ギブズエネルギー 等温等圧条件下で仕事として取り出し可能なエネルギー量であり 熱力学などで用いられる ギブスエネルギーが極小の一定値を取ることは系が平衡状態にあることに等しい (*2) 化学ポテンシャル 熱力学で用いられるエネルギー量で モルあたりのギブズエネルギーを示す 76 Kawaijuku Guideline

16 コラム超高速分光理化学研究所生物物理化学京都大学イオン液体岩手大学エネルギー 環境化学東京大学授業 ゼミ新潟大学の進路 ガラス細工 < 図表 2> 実験テーマ一覧 放射線の基礎実験 二次反応の速度定数 ガス吸 法による固体の比表面積測定 奇数 のみ 金 体の可視 紫外吸収スペクトル 数 のみ をこの段階で習得しておけば 4 年次以降の研究活動の助けになると考えたのだ 放射線の基礎実験 は 県下に原子力発電所を抱える同大学の立地環境が大きく影響している 放射線の基本的な知識を学び 検知器を使って身の回りの放射線の測定を行い 環境への影響などについて正しい理解を得るためのテーマだ 二次反応の速度定数 は 化学合成によって目的とする合成物が どれくらいの時間でどれくらいの収量で得られるかを理解するのに必要な反応速度を求める実験である 残りの 2 つはどちらか一方を行う ガス吸着法による固体の比表面積測定 は反応場である触媒粒子の表面積を求める実験であり 触媒反応の理解につながる実験だ 金属錯体の可視 紫外吸収スペクトル は 物理化学で最も基本的な分析法である分光分析法によって平衡定数を求めるもので 化学分析などに応用できる手法を学ぶ 失敗も つの結果として受け止める する4 日間でテーマの実験を行い 計 4テーマの実験を カ月 ~カ月半の間に集中的に行う 4 日間の初日を演習問題を解く時間に充てるため 実質的な実験日数は減少する そこで 実験のテーマを厳選し 絞り込んだ 高校で実験を行う機会が減っているため 大学では一般に実験の数を増やす傾向が強いが その逆を行く形だ 理論的な話が多い物理化学は敬遠されがちで 理解が不十分な学生も見られるが そのまま実験に進めば 危険なだけでなく 実験が単なる作業に終始し 実験をやっただけ レポートを提出しただけになりかねない そこで 実験のテーマを絞り込んででも 背後にある理論的な枠組みを理解した上で実験に臨んだ方が学生のためになると考え 実験初日に基本的な問題を解く中で 実験データの解析に必要な理論や情報を学ばせることにしたのだ 課題の答えを教員やティーチングアシスタントが教えることはなく 2 3 人の実験グループでディスカッションして学生自身で答えを導く 答えが出なければ 別のグループに相談しても 教科書等を参考にしてもいい 関連科目の履修者は講義で学んだことを振り返り 未履修者は自学した内容を定着させるわけだ 実験レポートは厳しく見る 郷右近准教授も きちんと理解するための課題演習を経ているため 実験レポートは受理できるレベルになるまでは 理解不十分な点を指摘して何度でも容赦なく突き返します カ月もの間 学生は物理化学の実験に没頭できるのですから その環境を十分に生かして 力をつけさせたいと考えています と語る この実験スタイルを導入したのは数年前 毎年 学生アンケートをとっているが 自分で勉強したので理解度が高まった 問題演習が予習につながったなど 好意的な意見が多く 当面はこの体制で進めるという 実験器具を自分で作る技術も身につける具体的な実験テーマは5つあり< 図表 2> このうち学生は4テーマの実験を行う 2 3 人でグループを形成し グループごとにテーマをローテーションしていく ガラス細工 は 他のテーマとは性質が異なり ガラスの切断や曲げ 穴あけ 接合 封じなどガラス加工の基本的な技術を体得することを目的としている 物理化学の研究では 卒業論文のレベルでも 既製の器具を使ってできる実験は限られるため 自分で実験器具を作製 加工 改良しなければならないことがある そこで ガラス器具を自分で作ったり既製品を改良したりするのに必要な技術 テーマによっては実験準備に時間がかかる 例えば反応速度を求める実験では 2 種類の溶液を混ぜて別の2 種類の化合物を合成するが まずはその溶液を作るところから始めなくてはならない 実験中に不足しないだけの量を見積もり準備するのは実験に不慣れな学生には難しく 実験着手 日目はその準備で終わる場合もある 反応は2 時間ほどかかり 一旦スタートさせると途中で止めることはできないため 十分な時間がないと始められないからだ 失敗すれば最初からやり直すことになる 授業時間内に終わらず夜まで実験を続けるグループや 定められた期間内に最後まで結果を出せないグループも出てくる 何度やっても失敗する実験グループもいます しかし それもまた実験であり 実験結果です その場合 何を間違えたのか どこに原因があるのかを実験グループで議論 追求し それに対して自分がどう考えてアプローチしたのかをレポートにまとめさせます 研究活動に入れば思うような結果が出ないことの方が多く 失敗から学ぶ姿勢が非常に重要だからです その意味でも 実験科目には今後も力を入れていくつもりです と郷右近准教授は話す 概説入試情報卒業後Kawaijuku Guideline

17 卒業後の進路 あらゆる製造業に求められる知識を身に付け多彩な業界に進出 化学系の出身者は半数以上が大学院へと進み 化学メーカーを中心に幅広く就職してお り 物理化学を学んだ学生も同様の傾向にある 物質の構造や物性 反応などに関する基 本的な知識は あらゆる製造業で必要とされていることから 物理化学をきちんと学んだ 学生に対する需要は高いといえる 大学院進学後の就職に恵まれた化学系 物理化学は無機化学 有機化学と並ぶ化学の代表的な学問領域の一つであり 化学系の学科では必ず学ぶ そのため 理学部化学科はもちろん 化学と関係が深い工学部や農学部 薬学部など多くの学部で物理化学を学ぶことができる ただし 学部によって探究のスタンスは異なる 理学部では物質の構造や物性 反応などの仕組みそのものを探究するのに対し それ以外の学部は基本的に実学的な志向を持っており 物理化学の知見をその分野に応用する方法に主眼を置いた研究がなされるのだ 学校基本調査には 物理化学系の出身者の進路を調べた統計データが存在しないため ここでは理学部化学科の進路の特徴を見てみる 理学部の物理学 生物学 化学のそれぞれの進路を比較したのが < 表 >だ 理学部の進路については 工学部や農学部などに比べて進学率が高いという特徴がある 理学部の中で進学率を比較す < 表 > 理学 ( 物理学 生物学 化学 ) における課程別進路状況 博士 程 士 程 学士 程 博士 程 士 程 学士 程 博士 程 士 程 学士 程 ると 化学は 生物学や物理学より相対的に低くなるが それでも半数以上は修士課程に進学している 200 年度学校基本調査報告書によると 化学の大学院への進学率を設置者別にみると 国立 78% 公立 65% 私立 43% となっている 進学率が相対的に低いのに対し 就職率は理学部の他の学科に比べて高めである 特に修士卒 博士卒では 化学の就職率は 物理学や生物学より高い 化学が現代の産業と深く結びつき かつ高度な知識や技術が求められているためであり 大学院進学後も研究者以外の道が広く残されていることになる 現実世界の現象を説明できる能力に期待 物理化学を専門的に学んだ学生は 化学の中でも特に幅広い分野に進出する傾向がある それは 物理化学があらゆる物質に共通する 本質的な仕組みの解明を志向していることによる 東京大学の濵口宏夫教授は 現実世界で起こる現象のほとんどは物理化学で説明できます 物理化学を修めると 何か問題が起きたときに その原因を突き止め 解決策を提示できる能力が身に付くのです と語り 多くの企業で需要がある人材だとしている また 有機化学や無機化学を学んだ学生は それぞれの物質を使っ進学者 者たもの作り 例えば製薬企業や化 学校 外国の学校等入学者学製品メーカーなどに進出する場一時的な仕事に合が多い しかし 物理化学では いた者 以外の者物質の種類を問わずに反応や機能 不 の者を追究する そのため 一般的な化学関連企業はもちろんですが 物理化学の場合は 電気や半導体などの系統にも進出しています と 京都大学の寺嶋正秀教授も具体例を挙げている (200 年度学校基本調査報告書から作成 ) 78 Kawaijuku Guideline