エネルギー素材の誕生を捉える「分子の映画マジック」で電池と水素の技術革新へ

TokyoミュンヘンのLMUの研究者たちは、共有結合有機骨格（COFs）の生成方法に関して大きな進展を遂げました。これらの材料は、電池技術や水素製造に役立ちますが、20年にわたる研究にもかかわらず、その作成方法は依然として不明確でした。

エミリアーノ・コルテス教授と彼のチームは、博士課程の学生クリストフ・グルーバーを含め、化学反応を撮影する新しい方法を発見しました。彼らは特別な顕微鏡を使用して、極めて小さなスケールでCOFの形成を記録しました。この研究成果は『ネイチャー』誌に掲載され、反応をリアルタイムで示す動画も含まれています。

彼らの研究の重要な点は次の通りです。

特殊な顕微鏡iSCAT（干渉散乱顕微鏡法）を使用し、共有結合性有機フレームワーク（COF）の合成をリアルタイムで観察しました。その過程で、ナノスケールの液滴が重要な役割を果たすことを発見し、エネルギー効率の高い合成条件の開発に成功しました。

iSCAT法はタンパク質の相互作用を調べるために用いられます。高解像度のカメラで光のパターンを記録し、動的なプロセスを捉えることで、非常に小さな粒子の画像を確認することができます。「私たちは合成をリアルタイムで観察しました」とグルーバーは語りました。

チームはLMUの化学者、COF合成の専門家であるダナ・メディナ教授と協力しました。彼らは、なぜ合成プロセスがある場合にうまくいくのか、また他の場合にはそうならないのかを解明しようとしました。「反応を正確に制御することが不可欠です」とメディナは言います。「分子成分が反応し始める<強調>初期段階</強調>に焦点を当てました。」

チームは、反応媒体に小さな液滴が現れたことに驚きました。これらの小さな液滴は、反応の速度を制御する上で重要です。「液滴がないと反応が速すぎてしまい、望む順序を失ってしまう」とグルーバーは述べています。

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研究者たちは初期段階を研究することで新たな発見をしました。その情報を活用し、より省エネな方法を生み出しました。重要な発見の一つは、食塩を加えることで必要な温度が下がることでした。メディナ氏は「120度の代わりに室温で分子構造を構築しました」と語りました。

研究者たちは、彼らの発見がCOFの製造方法を変える可能性があると考えています。彼らの研究は、他の材料の生成方法にも影響を与えるかもしれません。「新しい化学反応を直接観察するのが楽しみです」とコルテス氏は述べました。

彼らの研究は、e-conversion Cluster of Excellence（DFG）や、ナノサイエンスセンター（CeNS）、バイエルン州の太陽技術プログラムSolTech、そして欧州委員会（EC）など、様々な団体の支援を受けて行われました。

この発見により、COFを作成するためのより明確な方法が提供され、これらの材料を製造するためのより良い手法の開発が進む。反応が起きる瞬間を観察できることは非常に重要であり、研究者たちは今やこれらの材料を作るための最適な条件を見つけることができるようになった。

科学者たちは、物質科学に関するさらなる洞察をもたらす微細な液滴を発見しました。この新しい技術により、化学反応をリアルタイムで観察することが可能になりました。この発見は、化学やエネルギー材料のさまざまな分野の改善に役立つかもしれません。

LMUの研究者たちは、未来の革新に向けてリーダーシップを発揮しています。彼らの研究は、異なる分野間の協力の重要性を示しています。物理学者と化学者が協力すると、複雑な問題も解決することができるのです。

チームは分子の反応を詳しく撮影する計画を立てています。他の重要な反応をその場で観察し理解することを目指しています。これにより、新たな知見が見つかり、材料科学における応用が見込まれます。