光化学の領域からの異分野突入でエネルギーや医療に革新をもたらす

太陽光や電灯の光。私たちの身の回りにはあらゆる光が存在していますが、その存在を意識することはあまり無いかもしれません。
工学研究院の楊井伸浩先生は、光の力に焦点を当て、エネルギーや医療、量子科学など様々な分野への活用に向けて日々研究を続けています。
光化学の魅力や異分野に知見を活用することの意義について、楊井先生にお話しを伺いました。

小さなエネルギーも力を合わせれば大きくなる

先生の研究内容を教えてください。

私の専門分野は光化学です。化学分野の中の一つですが、そのなかでも光がかかわる分野に所属しています。光化学は幅広い領域でいろいろな研究が進められているのですが、我々の研究室では特に大きく2種類の研究をしています。
一つ目は光の波長変換です。「光を何かモノに当てると光る」という現象について、ちょっと変わった光り方をする材料について研究しています。実は光の色はエネルギーの違いに対応しています。例えば緑、赤、青の光で一番エネルギーが大きな色はどれだと思いますか？

赤色でしょうか。

ざんねん！（笑）赤は一番エネルギーが小さく、次が緑で、青が一番大きいのです。

物質が光を吸収してエネルギーを持ったとすると、そこから少しエネルギーが失われて光るというのが一般的です。対して、我々は「アップコンバージョン」と呼ばれる、当てた光よりも大きなエネルギーの光が出てくるという、自然界にはあまり存在していない物質を作る研究をしています。

エネルギー保存則に反しているようにも思われます。

一見するとエネルギー保存則に反していますよね。エネルギーが小さい緑の光を当てたのに、エネルギーの大きな青の光が生まれるという現象は不思議に思われるかもしれません。もちろん、これにはタネもしかけもありまして、エネルギーを吸収したモノを複数合体させて、より強いエネルギーを生み出しているのです。
漫画「ドラゴンボール」で、主人公たちがフュージョン（融合）によってより強い力を発揮する技があります。それと同じ現象を分子の世界でも起こせるわけです。

生み出された光はどのような場面に活用されるのでしょうか？

エネルギーや医学など、いろいろな分野への利活用が期待されています。例えば、エネルギー関連だと、太陽光で発電したり、太陽光と水から水素を発生させたりする研究があります。実はこのように太陽光を活用した技術というのは、使える光の波長範囲に限りがあるのです。現状、目で見えるくらいにエネルギーの大きな可視光しか使えていないわけです。もしこれまで無駄になっていた、赤外線のように目には見えない小さなエネルギーの光をアップコンバージョンによって使えるようにできたら、太陽光を使う技術の効率を上げることができます。

医学分野ではどのような活用が考えられますか？

手を太陽にかざすと、赤く透けて見えると思います。太陽光には青や緑などほかの光も混ざっていますが、赤の光だけ目に届いているからです。赤や赤外線のような低いエネルギーの光は、我々の体を通り抜けられるわけです。もし小さなエネルギーの光を体内でアップコンバージョンして、より大きなエネルギーの光を生み出すことができれば、例えば狙った場所に薬を投与したり、脳神経のような手術が難しいとされる部位の治療に役立てたりできるのではないかと期待されています。

光の力で医療機器の高感度化を目指す

先生のもうひとつの研究テーマはどのようなものですか？

もうひとつは光を使ってMRI（磁気共鳴画像装置）やNMR（磁気共鳴画像装置）といった医療・分析機器の高感度化をめざしています。例えば、MRIは体をスキャンして脳やケガをした箇所を輪切り画像で見ることができ、その状態や形が分かるという医療現場において重要な装置です。ただ、現時点では大きな課題があり、実は感度がとても低いのです。

素人目にはMRIで見える画像は十分精細だと思っていました。

そうですよね。しかし、綺麗に見えているようで、実はMRIで見えているものは体内にたくさんある水や脂肪分でしかなく、重要な生体分子までは見えていません。タンパク質やDNA、代謝物などいろいろなものが見えていないわけです。例えば、腫瘍があったとして、形の情報は得られているのですが、腫瘍の中で何が起きているのか、分子はどうなっているのかといった詳細な情報までは分からないのです。もしMRIの感度を上げ、いろいろな分子、物質まで精細に見えるようになれば、病気の診断や、タンパク質と薬の相互作用などを調べることに役立つのではないかと期待されています。

どのようにしてMRIの感度を上げるのですか？

そもそもなぜ感度が低いかというと、MRIというのは強い磁石と電磁波を利用して分子中の核スピン（原子核がもつ小さな磁石のようなもの）を見る技術で、その際に核スピンの大半が打ち消し合ってしまうのです。体内には核スピンがたくさんあるのですが、結局見えているのは打ち消されずに残った残りかすであるわけです。そこで、我々は光を吸収して励起状態になる分子を作ることで残る電子スピンの差を大きくし、それを見たい分子の核スピンに渡すことで感度を高めるという研究をしています。

異分野にこそ化学の新たな可能性が眠っている

先生の研究室ならではの特徴を教えてください。

MRIと高感度化、それぞれの分野を研究されている方はたくさんいます。ただ、化学の立場でそういった量子物理の領域、MRIの高感度化にかかわっている研究室はあまりありません。このように量子物理と化学という異分野に突入していき、新しく何ができるのかを見つけるというのが我々の研究室のスタンスです。

異分野の研究課題に積極的に取り組まれているのですね。

物理の領域では現在入手できる材料を使うのが一般的ですが、それでは限界があります。そこに化学分野の知見を生かすことで、物理の限界を超えて医療やバイオロジー、創薬などの様々な分野につなげていく。我々はこれを異分野融合ではなく、異分野突入と呼んでいます。（笑）

異分野を研究するとなると大変なことも多いのではないですか？

これまでできなかったことへの挑戦を続けていく中で、我々の研究室だけでは解決できない問題に直面してきました。例えば、生命分野の研究がしたくても、我々ではマウスや細胞を使った実験はできないので、そういったことが得意な研究者と一緒にお互いの得意分野を持ち寄って教え合いながら共同研究することが多いです。

心から楽しめるからこそ研究に向き合える

先生は昔から研究者を目指していらっしゃったのですか？

大学生のころは最初全く考えていませんでした。学生時代に研究室を選ぶときも、「何かすごそう、面白そう」という感覚だけで選択しました。ただ、研究を始めてみると楽しくて、「こんなに楽しいことを続けられるなら研究者になりたい」と思いました。当時は多孔性金属錯体と呼ばれる穴の空いた材料について研究しており、その分野で世界の最先端を走っている研究室で勉強していました。まだ発展途上の研究分野だったので、「友だちや先生と話し合いながら自分で考えたアイデアで、世界と戦えるかもしれない」という感覚を実感できたことがとても面白くて、これが私の研究者としての原点です。

学生にとって所属する研究室は影響が大きいのですね。

私自身が学生時代、研究室で自由に研究させてもらい、研究の面白さを教えてもらったので、次は自分がそういう場所を提供したいと考えています。だからこそ、私は学生に今日はこれをしようとか、あれをしようとか細かく課題を設定することはしません。もちろん、最初は研究テーマを与えるのですが、その後は学生自身にアイデアを考えてもらうようにしています。学生が自分なりのアイデアで、「これが面白い！」「これができたら絶対にすごい！」と思えることに熱中するというのが一番大切で、研究を楽しめると思うからです。

学生も一人の研究者として扱っていらっしゃるのですね。

もちろんです。私がひとりで考えることには限界があります。普段の研究から、学生にも意見を出してもらっており、私では思いつかないような斬新な視点が出てきたり、一緒に考えるなかで新しいアイデアが生まれたりすることは日常茶飯事です。

学生たちにはどのような人材に成長してほしいですか？

卒業後に何をするのか、どのような職に就くのかはそれぞれの選択でしょう。ただ、私の希望として、学生には自分の存在意義を感じられる人材になってほしいです。そのためには、他人が敷いたレールをただ進むだけではいけません。レールがないところに自分なりのレールを敷いていく、自らの力で開拓していく必要があります。研究室では学生も一緒に新たな分野に突入していく経験をするので、新たなことに挑戦するマインドが育つのではないかと思っています。

先生の今後の活動の目標や展望を教えてください。

今後20年、30年のことを考えると、量子技術は注目度が高いと思います。その中で、ひとりの化学者としていったいどのように貢献できるのか。この答えを見つけることが今後の目標です。ただ、量子とひとことで言っても、量子コンピューターや量子通信、量子センシングなどさまざまな領域があります。例えば、量子センシングにおいて我々のようなモノを作れる研究者が新しいセンサーを創造し、これまで達成し得なかった高い感度のセンシングができるようになれば、化学を専門とする人材が活躍できる新たな領域を作れるのではと考えています。

自分の価値観に従って挑戦すれば道は開ける

先生は化学の魅力を社会に発信する活動もされているとか。

九州大学の教員・学生有志で結成した「ピカリかがく」というチームで、九州に限らず全国の中高生に化学の面白さを知ってもらうための活動を行っています。主に中学校や高校に伺い出前授業を行っています。今後は第一線で活躍されている化学分野の研究者にインタビューして、ホームページや動画などで発信していく予定です。
なぜこの活動をはじめたのかというと、中高生が勉強する化学と、日々我々が面白いと思いながら進めている化学の研究には大きなズレがあると思うからです。もちろん、中高生時代に習う勉強が化学の基礎であることは間違いないのですが、おそらくそれだけでは大学で何を研究するのかイメージが湧きにくいでしょう。我々の活動を通して中高生に少しでも「化学って面白い。大学で研究してみたい」と思ってもらえたらとてもうれしいですし、化学の面白さを知ってもらい、将来何かの形で応援してもらえたらいいなと思い、活動をスタートさせました。

最後に、進路に悩む中高生にひと言いただけますか？

今の時代、若いときからいろいろな挑戦ができますし、何度でもやり直しができます。自分が取り組みたい課題や貢献したいことがあるのなら、積極的に挑戦してみるのが大切だと思います。一方、今はまだやりたいことがはっきりしていない場合は、自分が何となく面白そうだと思える分野に進んでみるのもよいのではないでしょうか。実際の学びや研究はやってみないと分からないことも多いと思いますが、自分の価値観に従って挑戦すれば、きっと道が開けるはずです。