化学者はあらゆる分子のコントロールへ向け、大きな一歩を踏み出した

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人間は化学反応を利用してさまざまなものをつくれるようになったが、分子そのものについてはまったく分かっていない。分子一つひとつの動きを制御するのはまだ難しいが、分子の制御に向けて一歩ずつ化学者たちは歩みを進めている。

TEXT BY NICK STOCKTON

WIRED(US)

分子の図

PHOTO: GETTY IMAGES

元素周期表や難解な専門用語、球状の発泡スチロールと鉛筆でつくられた模型──。それらに慣れ親しんでいるにもかかわらず、実際のところ化学者たちは分子について何もわかっていないに等しい。

問題のひとつは、化学者たちが分子の動きをまったくコントロールできないことだ。分子は回転し、振動し、電子を交換する。これらすべてが、ほかの分子との反応に影響を与えている。もちろん科学者たちは、コンクリートの製造やガソリンの精製、ビールの醸造などに必要な大規模な化学反応の仕組みは、十分に理解している。しかし、個々の分子を“道具”のようにしたり、あるいはレゴブロックのように組み合わせたりするほど巧みに扱いたいなら、もっと優れたコントロールが必要となる。現状ではまだ、その段階からはるかに遠い。

そんななか、アメリカ国立標準技術研究(NIST)の科学者たちが最近、単一の分子の動きを制御するための初期の課題を解決した。

科学者の世界では、低温真空状態とレーザーを活用した原子の制御方法が知られており、NISTで行われた分子制御(限定的ではあるが)は、その知見に基づいていた。今のところは実験中の段階だが、2017年5月10日(米国時間)に『Nature』で発表された論文は、その実験についての詳細を説明している。

非常に基本的なレヴェルでいえば、科学者が分子を制御できることで、分子に対する理解をさらに深められるだろう。「これは長年の課題でした」と、NISTのイオンストレージグループに所属する物理学者、ディートリヒ・ライブフリードは語っている。「わたしたちの周りのものはすべて分子からつくられていますが、分子について正確に知ることは困難だからです」

実用的な応用もできるかもしれない。NISTは、天体物理学者が遠く離れた星や太陽系外惑星のスペクトルシグネチャーを読む際に、参照すべき分子特性表を保有している。この分子特性表の空欄を埋めていけば、生命が存在し得る太陽系外惑星があるか否かという予測に役立つのだ。分子を十分に制御できるようになれば、科学者は分子をよく観察するだけでなく、物質を巧みに扱えるようになるだろう。

分子制御への大きな一歩

そして分子の方向性を確実に制御できれば、思い通りに分子を結合させられるようになることに一歩近づける。ビーカーに化合物を投入したり、適切な種類の気泡が発生するように祈ったりする必要がなくなるのである。つまり、分子がどのように結合しているかを理解し、さらには操作できるということになる。

この発見は、ライブフリードが師事したノーベル賞学者、デイヴィッド・ワインランドの研究を応用している。同氏は原子時計の基礎となっている原子の制御に成功した。しかし原子時計が科学者の時間測定の尺度を変え、GPSのようなブレークスルーにつながったのとは違い、このプロセスはまだ化学界に革命を起こすには至っていない。科学者は制御を調整する必要があるし、水素以外の分子でこのコンセプトを証明する必要がある。ひとつの分子でしか使えないというのは、2×4のブロックだけのレゴを使って都市をつくろうとするようなものなのだから。

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