2025年ノーベル化学賞：MOFとは何か？

スウェーデン王立科学アカデミーは、北川進、リチャード・ロブソン、オマール・M・ヤギの3氏に、有機金属骨格（MOF）に関する未来志向の研究に対して、2025年のノーベル化学賞を授与した。この革命的な材料は、巨大な内部表面積、調整可能な細孔構造、単一設計を持ち、エネルギー貯蔵、環境汚染除去、分子工学において画期的な用途を持つ材料化学の礎石であることが証明された。

図1 2025年ノーベル化学賞

MOF入門

MOFは、金属イオンやクラスターを有機配位子で配位した三次元固体結晶であり、後者は高度に調整可能な細孔構造を持つ三次元構造を作り出す。高表面積、光密度、弾性構造の相乗効果により、化学者は予測可能な細孔サイズ、化学的機能性、機械的特性を持つフレームワークを調整することができる。

ある種のMOFは、7,000 m²/g以上の内部表面積を達成し、活性炭よりも桁違いに優れている。また、MOFのモジュール性は、ガス分離や貯蔵から薬物送達や触媒作用に至るまで、用途に応じた機能化を可能にする。

MOFの歴史と発展

1989年、リチャード・ロブソンは、銅イオンを4本腕の有機リンカーで橋渡しし、正確に定義された空洞を持つ結晶ネットワークを作り出すという理論を初めて思いついた。これにより、急速に発展する研究分野への道が開かれた。

その後、北川進は、ゲスト分子に応じてフレームワークが「呼吸」できるような構造変換によって構造が変化する能力によって、MOFの多用途性を実証した。

続いてオマール・ヤギは、3,000m²/gを超える驚異的な表面積と優れたガス取り込み能力を持つ物質、MOF-5の合成によってこの分野をさらに拡大し、この物質が実世界の応用において実用的であることを示した。

彼らの貢献を総合すると、MOFは、応用の可能性があり、また本質的に興味深い多孔性結晶性固体の神秘的なファミリーとして確立された。

図2 重要なMOFの模式図

MOFの合成法

ソルボサーマル法は、依然としてMOF合成の最も一般的な方法である。ここでは、金属塩と有機配位子をホルムアミド官能基化したプロトン性または非プロトン性有機溶媒中で混合する。反応は通常、オートクレーブ内で溶媒の沸点よりも高い自生圧力下で行われ、そこで結晶成長が許容され、非常に整然とした構造が達成される。最適な内部表面積を持つ欠陥のない大きな結晶を得るためには、一般にゆっくりとした結晶成長が必要である。

ソルボサーマル合成は従来からの確実な方法であるが、生成物の構造を調整可能にし、効率を向上させる他の方法もいくつか登場している。マイクロ波アシスト、ソノケミカル、メカノケミカル、電気化学、イオンサーマル合成などの技術は、ますます広く応用されるようになってきている。

例えば、メカノケミカル合成は、溶媒の代わりに粉砕と機械的エネルギーを用いるため、環境への負荷を最小限に抑え、迅速なフレームワーク開発が可能である。マイクロ波支援合成は、数時間ではなく数分で同等の結晶性を持つMOFを生成することも示されている。これらの開発はすべて、MOFの大量生産や新しい構造の決定にとって重要である。

図3 MOF構造の従来のソルボサーマル合成

MOFの潜在的応用

低密度、高表面積、多孔性でありながら調整可能な気孔率、構造的柔軟性といったMOFのユニークな特性は、膨大な応用の可能性をもたらしている：

• ガスの貯蔵と供給：MOFは、水素、メタン、二酸化炭素の貯蔵において独自の応用価値を持つ。例えば、MOF-5は77 K、1 barの条件下で20 wt%以上の水素を吸着し、MOF-177は298 K、1 barの条件下で6 mmol/g以上のCO₂を吸着する。これらの特性により、MOFは水素燃料電池やメタン自動車などのクリーンなエネルギー貯蔵材料となっている。
• 環境修復：MOFは、水や空気から汚染物質を除去するために使用されてきた。MOFの中には、廃水からPFAS（「永遠の化学物質」）を選択的に吸着するものもあれば、二酸化炭素に親和性を持ち、炭素の回収を可能にするものもある。例えば、Mg-MOF-74は、室温で最大8mmol/gのCO₂吸着能力を持ち、排出ガス制御への応用が可能である。
• 水の利用：ある種のMOFは、乾燥した空気から水を採取することができる。ジルコニウムベースのMOF-801は、低湿度下（相対湿度20～30％）で、1日あたりMOF1kgあたり2.8リットルの水を回収した。
• 薬物送達：MOF多孔質構造は、制御放出のために治療分子をカプセル化することを可能にする。実験的研究において、MIL-100(Fe)マトリックスは、安定性の向上と標的放出特性で抗がん剤を放出し、全身毒性を軽減した。
• エネルギー貯蔵とエレクトロニクス：MOFは、スーパーキャパシタ、バッテリー、触媒作用への応用が検討されている。MOFは、高い静電容量と伝導性を持つ電極材料として、あるいは触媒活性を持つ金属ナノ粒子の触媒担体として使用することができる。

これらの用途は、MOFがもはや実験室での好奇心の対象ではなく、すでに数多くの用途で定量化可能な現実の性能を実証していることを証明している。研究室以上の規模での商業化はまだ難しいが、安定性、再現性、経済性を高めるための研究は続いている。

図4 エネルギー、薬物送達、廃水処理への応用

結論

2025年の北川、ロブソン、ヤギのノーベル化学賞受賞は、MOFの革新的な大きさを最も顕著に示している。画期的な構造コンセプトから、ハイテク合成法、そして将来の未開拓の応用に至るまで、MOFは基礎化学と実用性の融合への賛辞である。その他の産業ニュースや技術サポートについては、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

参考文献

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