大學の學びはこんなに面白い

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省資源化や環境?エネルギー問題の解決につながる、面白くて便利な機能を持つ新しい材料を発見したい!

2020年11月27日掲出

工學部 応用化學科 高橋昌男 教授

工學部 応用化學科 高橋昌男 教授

  子どもの頃から化學実験や分析が大好きだったという高橋先生。大學では分析化學を學び、大學院卒業後にセラミックス合成の研究室に入ったことから材料化學の道へ。今回は工學部の現在の授業體制や研究室での取り組みについてお聞きしました。

■東京工科大學では新型コロナウイルス感染癥の影響により、オンラインと対面の両方で授業が行われてきましたが、現在、工學部応用化學科では、どのように授業を進めているのですか?

  前期は7月から登校が可能になり、実験のみ対面で実施し、他の座學に関してはオンラインで行ってきました。そのオンライン授業も録畫した動畫を見て學ぶオンデマンド型と、リアルタイムに講義を行うものの2種類を使い分けています。また、インタラクティブ相談も実施していました。本學ではe-ラーニング用の學習支援システムMoodle(ムードル)を導入しているので、學生はそこにアクセスして授業動畫を観るのですが、同時にその場で質問を受け付けたり、演習的な授業の場合は途中で演習問題をしてもらい、それを撮影したものを提出させたりと、オンデマンドに少しリアルタイム感のあるものを加えた授業もありました。
  後期からは、基本、キャンパスに登校する形になっています。ただ、工學部応用化學科の授業に関して言えば、基本は対面ですが、特に3、4年生の座學授業はオンデマンドを含むオンラインで、各自でスケジュールを管理しながら學習を進めてもらっています。1、2年生は、対面型とハイブリッド型(ハイフレックス型とも呼ばれる)で授業を行っています。ハイブリッド型とは、教室で対面授業を行うと同時にそれをライブ配信し、さらにその映像を後日、Moodleにアップロードするというものです。対面授業をライブ配信する意味は、例えば新型コロナウイルスの感染が心配とか、體調が悪いという學生もいるため、そういう事情がある學生に向けて自宅からオンラインで授業を受けられるようにしているのです。
  一方、実験は実際に器具に觸れ、手を動かして取り組んでもらわないとできないものですから、対面で行っています。ただ、これにも工夫を施していて、実験を始める前の説明部分は事前にオンラインで行い、學生に実験ノートをつくって來てもらっています。ですから當日、キャンパスでは本當に手を動かす実験のみをしてもらう形です。また、1回に実験をする人數は普段の半分に減らしています。通常、40名程度が実験を行う実験室を20名で使うことで、人が密集することを避けているのです。

コロナ禍での対面授業の様子

コロナ禍での対面授業の様子

■では、先生の研究室での取り組みについてお聞かせください。

  私たちの研究室では、化學の力で省資源化や環境?エネルギー問題の解決につながる新機能を持つ無機材料をつくることや、その製造プロセスの開発などに取り組んでいます。例えば、高校の化學で電気分解の実験をしたことがある人もいるかと思いますが、それを応用した方法で、電気化學的に機能性薄膜をつくる研究をしています。簡単に言えば、電気分解とは、溶液の中に電極を浸けて反応させますよね。それと同じことをして、金屬表面に機能性を持った新しい化合物薄膜をつくるのです。
  “光觸媒”という言葉を聞いたことはあるでしょうか? 例えば、酸化チタンを窓ガラスや外裝に塗っておくことで、有機物や汚れを分解してくれるというものです。この場合、酸化チタンが紫外線を吸収して汚れを分解するのですが、紫外線ではなく可視光線で反応させられないかということは、多くの研究者がずっと考えてきたテーマです。 私たちの研究室でもそれと似たようなことに取り組んでいて、電気化學的な反応(電気分解)でもって、チタンの表面に光觸媒機能を持たせることに成功しました。具體的には、酸化チタン、つまり基本はチタンと酸素の化合物ですが、そこにほんの少しフッ素が入った化合物をつくったところ、恐らく太陽光線の影響だと思いますが、簡単に色素分解することがわかったのです。実際、色のついた水を入れておいたところ、1~2日でそれが無色透明になりました。この方法がうまく制御できるようになれば、色を変えたり色素を分解したり、あるいは除菌に応用できるかもしれないと考えています。
  この酸化チタンの光觸媒膜を作製した方法を「電気化學的薄膜創製法(環境調和型プロセシング)」と名づけています。というのも通常、酸化チタンをつくるには數百度の高溫で加熱する必要があるのですが、當研究室の方法は電気分解ですから室溫で行うことができます。さらに電気分解は、高くて10ボルトくらいの電圧しか使わないため、製造に必要なエネルギーがほんの少しで済む分、省エネだと言えます。
  もうひとつの工夫としては、通常、この方法には水系溶液を使いますが、私たちの研究室では有機溶媒を使っている點です。水系溶液で電気分解をすると、水の電気分解が支配的になりますが、有機溶媒を用いれば試料表面の狙った反応を重點的に起こせます。その結果、本來なら高溫でないとできない反応を室溫でできるくらい反応性を高めることができるのです。
  このように薄膜に機能を持たせることプラス、その製造過程でも工夫をして省エネや環境負荷低減など、サステイナブル社會の実現に結びつけています。

電気化學的薄膜創製法で作製した光觸媒膜

電気化學的薄膜創製法で作製した光觸媒膜

■先生がこうした研究を始めたきっかけとは? また、どんなところにこの研究の面白さを感じていますか?

  本學に赴任する前、私は別の大學で半導體表面の洗浄実験の研究をしていました。半導體というのは、原子がずらりと並んだ堰があって、その10萬個に1個にしか汚れがあってはいけないというものです。そこまでクリーンにしないと、私たちが使っている電子機器は動きません。ですから洗浄が非常に大事になってくるのです。その研究をしているときに、シアン化合物を使うと、室溫でしかも短時間で、非常にクリーンな表面ができることを発見しました。ただ、このシアン化合物は毒性が高いので、使用後は安全に廃棄するために分解しなければなりません。この分解処理に電気化學反応を用いる方法を検討していました。その時、何か別の物質を入れて、その電気分解反応を利用できないかと考え、思いついたのが半導體材料であるケイ素(シリコン)の表面処理ができないかということでした。通常、シアンを電気分解するとCとNがばらばらになって、二酸化炭素と窒素ガスになります。しかし、すぐそばに何か物質を置いておけば、ばらばらになったCやNと反応を起こすかもしれません。そこでシアンが入った溶液の中でケイ素を反応させてみると、シリコンと酸素と窒素の入った化合物ができました。それがシリコンオキシナイトライドです。実はこの化合物は、900℃くらいに加熱して合成されます。それが室溫でできたのです。さらに、いわゆる半導體デバイスに使えるような電気的な応答を示すものでもあったので、これは面白いと思いました。それが現在の研究で扱っている電気分解のプロセスです。
  ただ、當時はこれ以上の研究を進めることができませんでした。そこで本學に赴任したことを契機に、手つかずのままだったこの研究をしてみることにしたのです。ただし、シアンは猛毒で使えませんから、現在は色々な金屬化合物を使って取り組んでいます。
  研究の面白さは、やはり新しいもの、これまでにないものをつくれるということが挙げられます。もうひとつは、私がもともと分析に興味を持っていることもあり、何か新しい材料をつくって、その性質や特性などを調べることに面白みを見出しているからです。よく學生に言うのは、この研究を野球に例えるなら、ピッチャーとバッターと守備とを全部一人でしているようなものだということです。材料をつくる(投げる)、解析する(打つ)、そしてどうなっているのか理解する(守備)というわけです。それらをすべて一人でしたいという思いがあり、それを実現できるところに面白みを感じています。

■今後の展望をお聞かせください。

  実は現在、生體組織や器官に適合する生體適合性材料の研究にも取りかかっています。生體を含め色々なところに使える新しい無機材料を発見したい、人が発想しなかったようなことに挑戦したいと思っています。しかも、できるだけ省エネでつくるということを実現したいですね。
  また、今、新しい材料を“つくりたい”ではなく、あえて“発見したい”と言ったのは、謙虛な気持ちを持っていたいからです。これまでになかった物質の組み合わせで新しい材料をつくるということは、私たちが生み出したものではなく、そもそも地球上にあった材料と材料を組み合わせたことで新たに発見した材料に過ぎません。宇宙のどこかに行けば、それと同じ材料がたくさんある星もあるかもしれない。ですから宇宙のどこかにはあるだろう物質をたまたま合成して見つけたという謙虛な姿勢で、新しいものを発見していきたいと思っています。

■受験生?高校生へのメッセージをお願いします。

  入試が近づき、受験勉強も佳境に入ってきた頃だと思います。私自身が受験生のときを振り返ってみると、例えば理系の場合、日本史や世界史など文系科目をあまり重視しない傾向がありますが、私はそうは思っていませんでした。高校で學ぶものは、すべて教養として必要なものだと考えていたのです。例えば、世界史などは理系?文系関係なく、世界を知るために必要な知識です。そういう広い視點で捉えてほしいと思います。ひとつの教養を身に付けるつもりで學んでおけば、受験科目に関係ない科目だと思いながら勉強するより、勉強がつらくなくなるのではないかと思います。
  また、大學に入學したら、ぜひ新しいことに挑戦してください。それと同時に、基礎の學びは絶対に怠らないでほしい。新しい物事を成すときは、結局、基礎的な學びをもとに発想するからです。そういう意味で、新しいことへのチャレンジと基礎固めの両輪を大切にしてほしいですね。

工學部応用化學科WEB:
http://www.newagehillbilly.com/gakubu/eng/ac.html