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化学者のつぶやき

「世界の最先端で研究する」という夢と実際 ーカリフォルニア大学バークレー校 Long 研究室より

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32 回のケムステ海外研究記は私、やぶが筆を執ります。私は、カリフォルニア大学バークレー校Long 研究室で 2018 年の 8 月からローレンス·バークレー国立研究所の Research Assistant として1 年弱働いているものの、2019 年の8 月から同研究室で大学院生として研究を続ける予定の研究者の卵です。これまでのケムステ海外研究記は、博士号取得間際の学生や大学院卒業後のポスドクといった研究者としての基本を身につけた方々の視点であったのに対して、今回は留学開始の半年ほど前に学士号 (要するに大学卒業と同等) を取得したばかりの若輩者による体験談です。そんな私がアメリカで研究する中で感じたスリルとロマンを少しでも共有できたら嬉しいと思い、恥を忍んで執筆を決意しました。

お話しする内容は次の通りです。

Q1–3: 研究留学の動機/経緯
Q4-6:アメリカでの研究環境について
Q8–9:バークレーの化学や生活について
Q7, 10–11: Long 研究室の研究内容とグループの様子について

前半から中盤 (Q1–Q9) はまだ研究室配属されていない大学生や高校生でも楽しめるように執筆いたしましたので、ぜひご覧ください!

Q1. なぜ留学しようと思いましたか?

一番初めに海外での研究を意識したのは、中学年生の時ではないかと思います。ちょうど、日本人化学者である根岸英一先生と鈴木章先生が、Heck 先生とともにノーベル化学賞を受賞した頃でした。テレビのニュース番組がその快挙を大々的に報道している様子を目にして、受賞内容は全く理解できないままでも「ノーベル賞とはすごいものなのだなぁ」と感じたことは今でもよく覚えています。そのなかでも、根岸先生鈴木先生もアメリカへの留学経験があり、しかもそれが研究者としての大きな財産になったという体験談が印象的でした。その体験談は、中学校卒業後の進路を高専の化学科に心に決めかけたばかりの私にでさえ、「世界で活躍する化学者になる」という漠然とした夢を与えるとともに、「それを実現するには留学が必要なのだ」という超短絡的な考えを植え付けるには十分でした。

2010 年のノーベル賞はカップリング反応に贈られました. 図はノーベル賞のホームページから引用.

Q2. 留学はどのように実現しましたか?

学士号を取得した後に大学院生としてアメリカの大学院へ留学できればいいと思い、2018 年の秋入学を見据えて大学院に出願しました。しかし、必死の努力もむなしく、出願した大学院すべてから不合格の通知を受け取りました。それでも諦めがつかなかったので、一番行きたかった研究室の先生 (ボス=Jeff) へ何らかの形で受け入れてもらえないか問い合わせてみました。これがまさかのOKで、運よく留学が実現しました (詳しくはこちら)。

ただしメールを送るだけで受け入れが認められることは普通あり得ません (奨学金などを持っている場合を除きます)。私は大学院の出願の前に個人的に Long 研を訪れて Jeff と面会し、英語能力ややる気を事前に見せていたので、受け入れが許可されたのではないかと思います。

Q3. 「一番行きたかった研究室」とありますが、なぜ Long 研究室に行きたかったのですか?

漠然ながら金属有機構造体 (MOF, 後述) に興味がありました。もちろん、世界を見渡せばどの大学にも大抵一つは MOF を扱う研究チームがありますが、そのなかでも Long 研は MOF の応用に長けていると思い Long 研究室を選びました。例えばLong 研は MOF を用い、二酸化炭素の吸着やガス分離、さらには電池の作成など、いずれ社会の役に立ちそうなテーマに取り組んでいます (下図)。工業的な応用がありそうな研究室を選んだのは、私自身がもともと高専出身であることも関係しているかもしれません。

大学院生勧誘のためのポスター. Long 研の研究内容の一部がイラストで表現されている. 左から順にポケモン進化触媒, ゴース吸着 , じしゃくポケモン学, ビリリダマ二次電池. 学生はポケモンマスター, いやポケモンドクターを目指して研究に励む. 

Q4. では研究テーマも自ら率先して提案して研究がスタートしたのですか?

全くそんなことはありません。実は受け入れの可能性を問い合わせた際に、奨学金を何も持っていないということを Jeff に伝えると、「生活 (つまり大学の規定による最低限の収入) が保証されていない人は (制度上) 受け入れられない」とおっしゃり、「ラボの研究費から給料を出せないかやりくりしてみる」と提案してくださいました。このようないきさつにより、Long 研究室の運営費をまかなう主要な財源の一つに関連したプロジェクトに取り組むことを余儀なく(?)されました。

Q5.研究室から給料がもらえることは普通なのですか?

こちらで働く大学院生に給料が支払われることは普通です。うわさにきくところによると、私のような研究生や学部生にも場合によっては給料が支払われることも珍しくはないようです。

Q6.給料をもらいながら研究することに対して、どう思いましたか?

莫大な予算がつくプロジェクトは、得てして、省庁が推進する戦略的な国家プロジェクト (エネルギー問題など) に絡んでいて、そのような国家的重要課題に末席ながら関われたことは光栄と感じました。しかし次第に「お金をもらうからにはその責任を果たさねばならない」という当たり前のことを強く意識せざるを得なくなりました。

渡米して間も無く、研究室でそのプロジェクトに関するミーティングがあり、具体的な目標とおおよその研究のスケジュールを聞くことになります。そのときに、ある特定の期間までに鍵となる中間的な目標を達成できなければ、研究費の減額、そして最悪の場合にはテーマが打ち切られる可能性があるという事実を知ります 。研究費が打ち切りになるということは、誰かの給料を払うためのお金がなくなるということです。これはすざましいプレッシャーです。プロジェクトが打ち切りになった場合、単に自分のクビが切られるだけならまだしも (もちろんそれは困る)、研究室の運営費の確保に多大な影響を及ぼすことは想像にかたくありませんでした。研究者の卵人生始まって早々、このようなプレッシャーを感じながら実験をすることになるとは全く想像していませんでした。今のところその心配は杞憂に終わっていますが、研究室から給料をもらうことの重みは今でも感じています。

Q7.留学先ではどんな研究・仕事をしていましたか?

HyMARC というプロジェクトに参加して、穏やかな温度下かつ温和な圧力で、液体水素以上に水素を高密度化できる可能性のある新しい固体材料の開発やその性質評価に取り組んでいます。

HyMARC (Hydrogen Materials–Advanced Research Consortium)というプロジェクトに関っている.

水素を酸素と反応させると、水の副生を伴って電気エネルギーとして取り出すことができます。この電気エネルギーを利用して走行する水素自動車は、走行時に二酸化炭素を排出しないことから次世代の究極のエコカーとして注目されています。そのような水素自動車に水素を効率的に積載するための新技術を開発するべく、HyMARC は水素の高密度化に取り組んでいます。

水素自動車は究極のエコカー

仕事内容は薬品を混ぜたり、化合物の性能を測ったりするいわゆる “実験” にくわえて、プロジェクトの報告書の下書きを書いたり、報告会用のスライドを作ったりするデスクワークも行います。大抵はちょこんと座っているだけですが、学外で行われたミーティングにも参加しました 。

Q8.カリフォルニア大学バークレー校の雰囲気はどうですか?

バークレー自体は化学の聖地と言ってもよいくらいに、様々な分野のトップ研究室が数多く集まっています。毎週金曜日の夕方には、化学科の図書館前の広場でビールやワインが無料で振る舞われる交流会 ChemKeg があります。学生はもちろんですが、ポスドクや教授の方々も参加されているため、研究室や分野を超えたつながりが強いように思います。

ChemKeg の様子. 写真はこちらから引用.

くわえて他大学の有名な先生や新進気鋭の先生が訪れてセミナーが開催されます。セメスター中にはそのようなセミナーが週に23回程度あるのだから、世界の化学界でなにが起こっているかを学ぶには最適な場所です。Long 研がセミナー講演者のホストをすることもあるため、セミナーで受動的に話を聞くだけでなく、その講演者との昼食会で直接お話したこともあります。ちなみにケムステ代表の山口先生も一度セミナーを開催されています。

バークレーを化学 (と科学) の聖地たらしめるものとして、大学に隣接したローレンス·バークレー国立研究所 (Lawrence Berkeley National Laboratory: LBL) を紹介しないわけにはいきません。LBL は米国エネルギー省の支援を受けながら大学と密接に連携し、天体学、計算科学、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーなど幅広い科学の力を用いて、宇宙探求、環境問題、エネルギー問題、基礎医学などに貢献しています。LBL の代表的な技術は、電子や陽子を超高速で加速する環状装置であるシンクロトロン設備です (通称 Advanced Light Source: ALS)。ALS では髪の毛の太さ程度にまで細く絞られた高輝度な X 線を得られるため、結晶性化合物の構造決定に有利です。Long 研は ALS のビームタイムを持っており、ALS の X 線を扱うことに興味がある学生は LBL へ赴き、研究室で合成された重要化合物を分析します。

LBL のロゴ (上) と LBL から見渡した景色 (下). LBL は大学から見て丘の上にあるので, そこからベイエリアの美しい景色を見渡すことができる. 

Q9. 生活の面で困ることはありますか?

バークレーでは日本食やその他さまざまな国の色々な食材が手に入るスーパーがあるなど、食生活面でのストレスは思っていたほどではありません。冬の三ヶ月ほどを除くと、雨が降ることはほとんどありません。カリフォルニアには「青い空にギラギラと輝く太陽」というイメージがあるかもしれませんが、バークレーでは夏でも最高気温が22–23 ºC 程度と暑すぎないうえに湿度が低いので、過ごしやすいです (ただし最低気温が13 ºC と低めで気温差に注意が必要です)。冬の最低気温は 6–7 ºC 程度と寒すぎないので、年間を通して快適です。

ただし治安に関しては「絶対安全」と言い切ることはできません (こちらの向井先生のバークレーでの海外研究記も参照)。大学の最寄駅である Downtown Berkeley の周辺にはホームレスの方々もいるため、そのあたりを歩く際は落ち着けません、幸い、私自身は今のところ事件に巻き込まれていませんが、大学からあまり遠くないところで発砲事件もあったり、ラボのメンバーが強盗に遭ったりしています。事件に巻き込まれることは決して他人ごとではありません。
大学の北側は比較的治安が良く、南側は治安が悪いと言われていますが、通りを一つ越えると雰囲気が変わるということもあります。バークレーに滞在予定の方が家探しをする際は、現地の人に連絡を取るか、渡米後に自分の目で見てから決めることを強くお勧めします。

Q10. ここからはより専門的な話を伺おうと思います. 研究プロジェクトについて聞かせてください.

究極のエコカーの呼び声も高い水素自動車は、トヨタのミライなどに代表されるように実用化されているものの、普及していません。その普及の足かせになって入る要因の一つは、自動車にたくさんの水素を載せることが難しいことです。トヨタのミライの場合、計122.4Lの水素貯蔵タンクに700 bar (≈700 気圧) の高圧下で水素を圧縮しています[1]。そんなに頑張って圧縮しても、一回の燃料補給で走行できるのは500 km 程度です (もちろん運転する道のりなどにもよります)。トヨタの他のガソリン車の場合、少なくとも800 km 以上は走行可能であり、ミライの航続距離は軽自動車として最低ランクになります[2]。水素社会の明瞭期である 2019 年現在では水素ステーションの数も十分とは言えず、水素ステーションが未開拓な地域を通る可能性のある長距離旅行をするのに、水素自動車は不向きです。

水素をたくさん積むために、水素タンクをもっと大きくするのも一つの解決方法ですが、タンクをそれ以上大きくすると、乗客やトランクのスペースが窮屈になります。車内のスペースを犠牲にすることなく水素自動車の航続距離を向上させるには、体積あたりの水素の貯蔵量を増やさなければなりません

トヨタのミライの解剖図. 緑色で囲んである 2 つのタンクが水素貯蔵タンク. 2 つのタンクで合計 120 L 近くを占有する. 図はミライのパンフレットから引用. 表示した航続距離は JC08 モードで測定したもの. 実際に運転する際には, たいていの場合, 燃費測定の記録よりも燃費が悪くなる.

アメリカのエネルギー省 (Department of Energy: DOE) は、水素自動車の普及に向けて水素貯蔵システム (タンクに加えバルブや配管などの重量や体積も考慮) が達成すべき目標を打ち出しています[3]。具体的にはシステム 1 L あたりの水素の貯蔵量について 2020 年までに 30 g/L, 最終的には 50 g/L を達成せよということです。現実には、システムの性能はタンクに充填した固体材料が持つ基本性能の半分ほどにしかならないため、DOE の究極的な目標 (50 g/L) は実質的に「水素を液体水素 (71 g/L) 以上に濃縮しろ!」と言っていることになります。そうです。水素を単に圧縮するだけではDOEの目標値を達成することはほぼ不可能と言って差し支えないでしょう。

DOE の目標. この表に載せた目標以外にも, 材料のコストや燃料補給にかかる時間など細かく設定されている. 詳細はこちら

そうはいっても、難しい課題があればそれに挑戦したくなるのが科学者の性。Long 研究室では金属-有機構造体 (Metal-Organic Framework: MOF) に着目して、新しい化合物の合成、材料としての性能の評価、さらにはその機能の起源の解明に取り組んでいます。MOF は複数の配位部位を持つ有機化合物が金属を繋ぐことで形成される、結晶性が高い多孔性材料として知られています[4,5]。配位子や金属部位を適切に設計することにより、細孔径や細孔内の化学的環境を変えることもできるため、水素などの小分子がちょうど収まるような三次元骨格を構築することも難しくありません。

金属-有機構造体 (MOF) の代表例である MOF-5 の構造

Long 研究室は Ni2(m-dobdc) という MOF   DOE が設定した水素貯蔵条件下において、従来の吸着材料よりも優れた水素貯蔵能力を示すことを報告しています[6,7]。ただし、その Ni2(m-dobdc) でさえ、DOE の体積あたりの水素貯蔵量の目標値の半分程度にしかなりません。したがって、 Ni2(m-dobdc) よりも倍以上の性能を MOF に与えるべく、Long 研究室では (というか私は?) 土日や Thanksgiving Day (11月末の大型の祝日) をも返上して日々研究に励んでいます。

(A) Ni2(m-dobdc)の結晶構造. (B)Ni2(m-dobdc) の結晶 1 L あたりに貯蔵できる水素の質量. 黒の実践は 25 ºC での圧縮水素の密度を表す. 25 ºC, 100 bar での Ni2(m-dobdc) の体積水素容量 (黄色六角形) は, 同条件で単に水素を圧縮したときの密度よりも大きく, 25 ºC, 150 bar 程度での圧縮水素に相当する. 

Q11.Long 研究室にはどんな人がいますか?

何らかの深い専門知識スキルを持った研究者や、そうなろうとする学生がいます。深い専門知識やスキルとはIRNMR, X線構造解析, メスバウアーなど色々です。「IR や NMR なんて学生実験でも使う装置ではないか」と思うかもしれません。確かに目的の構造を持つ化合物が得られたことを確認するだけならば、学部生でもできます。しかし本当の意味での “研究 (=まだ誰も知らないことの探求)” には、どのようなデータが必要になるかを考え、そのデータを取るための装置を自ら組み立てなければならないことがあります。これは研究者としての当然の心得なのかもしれませんが、Long 研究室で強く認識することができました。

例えば水素関連の研究では、MOF と水素の相互作用の強さを知りたいことがあります。Long 研究室では IR のシステム+冷却システム+ガス吸着装置をつなげた手製の装置があり、in situ で気体の IR スペクトルを測定することができます。このような装置の利点は、特定の温度下で MOF の特定の吸着部位に吸着した水素のシグナルを選択的に観測できることです。その結果をもとに、水素貯蔵システムの操作条件で高い水素貯蔵能力を示す可能性のある MOF を設計する方法などを考察できます。こういった役割を任された学生は結果的にその装置のエキスパートとなります。したがって、学生は学年が上がるにつれて専門性に磨きがかかり、グループミーティングなどで存在感を発揮しているように思います。これが Long 研究室の強さのカラクリなのかもしれません。

ポスドクの場合は、なにかしらのスキルを持ってこちらに来て、それを使って Long 研のテーマに貢献しているように思います。逆に言えば、奨学金を持っていない限り、なんらかのスキルを持っていないとボスに雇ってもらいにくいのではないかと推測しています。もし私がポスドクとしての留学を計画していたならば、そういったことを知っていなければならなかったでしょう。

2018 年のホリデーパーティでの集合写真. アメリカ人が半分以上を占めるがイギリス, ドイツ, オーストラリア, エジプト, タイ, 中国, 韓国, 日本など世界中から科学者が集まっている. 

Q12.これから大学院生としての生活が始まるということなので、その意気込みをお聞かせください。

現実的な目標はきちんと博士号を取得して卒業することです (当たり前ですが大事!)。その産物として、いつか水素自動車があちらこちらの街中を走るようになったときに、自分が携わった研究が間接的にでも活きているといいなと思います。話は逸れますが、MOF の分野は Omar Yaghi 教授北川進教授などがいつかノーベル化学賞を取るのではないかと予想されています。MOF にまだノーベル賞が贈られていない理由の一つに、実用性がまだ確実視されていないという理由があるのではないかと私は考えています。いつの日か MOF の分野にノーベル賞が贈られたとき、その成果の社会的影響の代表例として水素貯蔵技術が挙がっていたら · · · と想像すると胸が躍ります。

Q13.最後に読者の皆さんへメッセージをお願いします。

今回の年弱の研究留学を無事に終えれたこと、そしてこれからも大学院生としてバークレーで研究を継続できるのはたくさんの方々のご協力のおかげです。先行きが不透明なままでも留学に反対することなく送り出してくれた家族は言わずもがな、やる気だけを買って私を受け入れてくださった Jeff, なにからなにまで教えてくださった古川博士, いつも報告会で私の発表に耳を傾けアドバイスをくれた Gas Sorption Subgroupのメンバー, いろいろな場面で助けてくれたLong 研のみなさん, 留学中や前にアドバイスをくださったケムステスタッフの方々, 渡米前に手作りメッセージブックを贈ってくれた高専時代の友達, この記事も含めて過去のケムステ記事を見て応援してくださった読者の方々、ありがとうございました。

プロフィール

名前: 薮内祐人 (Yuto Yabuuchi)
写真はグランドキャニオンで撮ったもの.

略歴:
2018 3 月 神戸市立工業高等専門学校 専攻科 応用化学専攻 修了
2018 8–2019 7 Research Assistant, Long group, University of California, Berkeley および Lawrence Berkeley National Laboratory
2019 8 – PhD student, Long group, University of California, Berkeley

関連リンク

参考文献

  1. トヨタ ミライ のパンフレット. https://ssl.toyota.com/mirai/assets/modules/carpagehowitworks/Docs/MY18_Mirai_eBrochure_FuelCellTech.pdf (2019/07/18 閲覧)
  2. (a)トヨタ ピクシスのパンフレット. https://toyota.jp/pages/contents/request/webcatalog/pixisepoch/pixisepoch_main_201904.pdf
    (b)トヨタ ポルテのパンフレット. https://toyota.jp/pages/contents/request/webcatalog/porte/porte_main_201907.pdf
    (c) トヨタ パッソのパンフレット. https://toyota.jp/pages/contents/request/webcatalog/passo/passo_main_201904.pdf
    “Hydrogen Storage” Fuel Cell Technologies Office, U.S. Department of Energy. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage (2019/07/18 閲覧)
  3. “DOE Technical Targets for Onboard Hydrogen Storage for Light-Duty Vehicles”,Fuel Cell Technologies Office, U.S. Department of Energy. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-onboard-hydrogen-storage-light-duty-vehicle (2019/07/18 閲覧).
  4. Yaghi, O. M.; O’Keeffe, M.; Ockwig, N. W.; Chae, H. K.; Eddaoudi, M.; Kim, J. Nature 2003423, 705. (DOI: 10.1038/nature01650)
  5. Furukawa, H.; Kordova, K. E.; O’Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Science 2013341, 1230444. DOI: 10.1126/science.1230444)
  6. Kapelewski, M. T.; Geier, S. J.; Hudson, M. R.; Stuk, D.; Mason, J. A.; Nelson, J. N.; Xiao, D. J.; Hulvey, Z.; Gilmour, E.; FitzGerald, S. A.; Head-Gordon, M.; B
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やぶ

やぶ

学部と大学院の間にギャップイヤーをとり、PhD候補生の候補生としてアメリカで無機材料を研究しています。Chem-Station を見て育った学生として、このコミュニティをより盛り上げていきたいです。高専出身。

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