4次のページ宇宙の話から、非常に遅い話へつい最近の話ですが、メキシコの地下に長さ11メートルの巨大な石膏の結晶が眠っていることがわかりました。いろいろなテレビや雑誌でも取り上げられているので、ご存知の方もいるかもしれません。この石膏の結晶そのものは、全然役には立たないんです。「なぜこんなに巨大な結晶になるのだろう?」「この結晶はどれくらいの時間でできたのだろう?」と皆さん興味を持つわけですね。世界中のテレビや雑誌でも取り上げられるほど注目を浴びました。そこで我々は、実際に結晶のまわりの溶液と結晶そのものを取ってきて、この研究室で作った装置で、どれくらいの時間で成長したかを測定したのです。すると、約10万年間かけてずっと一定の速度で成長してきたことが明らかになりました。ものすごくゆっくりとした一定の速度で成長してきたことが実験的に初めてわかったのです。こんなに遅い速度は実際に測定できた最高の記録だと思いますよ。その速度は、ミクロン四方に分子のくっつく数が、1秒間あたり数十~数百個程度で、ほんのわずかなものです。それはどんな技術を使ったのかと言えば、僕が宇宙で使おうと思って開発した"その場"観察装置なのです。その技術をそのまま使ったら、今度はものすごく遅いものの測定ができたということなんだね。非常に遅い話から、非常に速い話へ―宇宙で使おうと思っていた装置のどのような点が、非常にゆっくりとしたものの測定に生かされたのですか?普通の装置よりも、非常に感度が良いのです。宇宙実験では、例えばアメリカなら一週間かけて、ひとつの結晶をつくって成長速度を測ったわけですね。1週間で1ミリ伸びたとすると、割り算すれば成長速度が出ますね。そこから感度を6桁くらい良くすると、あっという間に成長速度を測れるわけです。感度を良くするということは、まずひとつは短時間で済ますことができるということ。僕らの実験室にある装置なら、例えば雨が降って窓ガラスが溶ける速度を、確実に問題なく測ることができます。雨の中を車で100年間走ると、ガラスは雨で溶けちゃうのですが、それを1時間くらいでちゃんと測ることができるのです。このように、宇宙で調べる目的でつくった"その場"観察装置ですが、非常にわずかなものを測れる装置ができると、長時間かかるものを短時間で済ますことができるわけです。このようにして、いろいろなところで応用できるようになるわけですね。非常に遅い話から非常に速い話をしましたが、もっともっと速い話があるんですよ。世の中で一番速い結晶成長速度は、毎秒10mくらいなのです。それが今、テーマのひとつとして研究している46億年昔の結晶成長です。46億年前は太陽系ができた年ですね。冬にお風呂の蓋を開けると水滴ができます。それと同じように、今まで見えなかったガス体が、急に冷やすとぱっと液体になって、最初の起源となる物質が宇宙空間にできたわけです。【写真】多くの隕石に見られる球状の粒子「コンドリュール」の拡大写真。宇宙で最初にできる物質が、もう少し集まって溶けて固まってできたものが「コンドリュール」です。実物は1mmくらいの球です。それが集まって溶けて、合体したり衝突したりしながら、今の地球や火星のもとになったわけですね。その時の結晶成長速度が、大体それ(毎秒10m)に近いのですよ。それでも毎秒数10cm。話を少し戻すと、これまでコンドリュールは、数万年、人によっては数千年かけてできたと言われていました。それくらいのオーダーでの議論をしていたわけです。言うと、「平衡蒸気圧」ってあるでしょう。空気中の湿度が100%以下なら結露なんかしないよね。そこから、(湿度が100%以上になると)過飽和になるわけですね。昔は、その過飽和にならないような平衡に近いところで、コンドリュールがゆっくりできると思われていました。そのため、数千年、あるいは数万年かかると(理論的に)考えられていたわけです。その後、実験的にそれを測り始めた人がいました。1990年代のことです。アメリカや日本の研究者たちが、擬似コンドリュールをつくって実験してみたところ、そんなに時間はかからないことがわかりました。1年とか数年の話だろうと結論付けたわけです。―理論と実験で、随分とオーダーが違うのですね。違うでしょう?けれども、僕らの宇宙環境を使った実験では、そんなもんじゃないです。1秒からコンマ数秒です。それでも(コンドリュールが)できたんです、と言えるようになったわけですね。するとね、実にいろいろなことが片づいてくるんです。1年や数年のオーダーで液体状態なら、蒸発しやすい元素は逃げてしまいますよね。ところが調べてみると、逃げた兆候なんてないのです。逃げる暇がないくらい急速に固まったとしたら、何の問題もないわけですね。宇宙の常識と地上の常識は全然違うさらに、どれくらいの温度でコンドリュールができるかと言うと、メルティングポイント(溶ける温度)である1900°Cから、これまでは数度下がったところで、コンドリュールができると思われていました。これも高速の"その場"観測装置を使って調べてみると、そんな温度ではできていないことがわかったのです。メルティングポイントから、100°C、200°C、500°C下げても、結晶はできません。ほとんど1000°C下げて、やっと結晶ができることがわかったわけです。普通だったら、溶かして冷やしたら結晶になるよね。ロウソクのロウだって、ちょっと冷やせばすぐに固まります。それは地上の常識で、宇宙の常識はそうじゃないんです。宇宙の常識は、溶かして冷やしたとしても結晶にはならないのです。―なぜ地上実験と宇宙実験でそれほど違いがあるのでしょうか?それはなぜと言うと、浮いているからなのです。これまでは地上だったので、容器の壁に接触しているところから結晶化していたのです。浮いていると結晶化しにくいことは、頭の中ではわかっていました。これほど大きく冷やさなければ結晶ができないことは、僕らが実験してみて初めてわかったのです。これは僕らが2000年頃から始めた実験です。浮いていると結晶化しにくい宇宙や無重力を使ってコンドリュールの実験をしたのは、我々が最初です。頭から「いや、宇宙だって、結晶のでき方に大した影響はないよ」と考えていたら、このような実験は誰もしなかったでしょう。標本館に行くと、きれいな面をもった結晶がいろいろ飾ってあるよね。その大部分は、宇宙でつくると結晶にはならないのです。結晶にはならないから、例えば、ガラス状態になってしまったりするのが、ほとんどなのです。コンドリュールの結晶は、「オリビン」が多いのですが、博物館ではきれいな面をもったものが飾ってありますよ。宇宙の常識は、ああいうやつ(写真のコンドリュール)なんですね。地球って、不思議ですよね。宇宙で結晶化すると、地球のようにあんな形をもった結晶はできないんです。浮いていると、そんなものは、例外中の例外なんですよね。(地上の常識と宇宙の常識は)全然違うのです。宇宙科学は実験できないと思われていたそもそも宇宙科学というのは、けっこう実験が少ないんだよね。実験ができないと思われているのです。確かにビックバンの実験をするのは大変です。ものが最初にできる話は、実験で再現できるのです。―そもそもなぜ塚本さんは「宇宙科学で実験」ができたのでしょうか?そこには、ふたつの理由があります。ひとつ目は、宇宙のための"その場"観察技術を僕らが開発していたこと。ふたつ目は、無重力をうまく使えるようなことが僕らにはできたこと。僕らは毎年、ロケットや飛行機、ロシアの衛星を使った無重力実験をしているので、宇宙の経験をけっこうしているわけです。宇宙での"その場"観察や結晶化はどういうものか、頭にも身にも染みているから、このような実験ができたのでしょう。応用分野は、太陽系の誕生から環境・エネルギー分野までここまでの話を整理すると、ものを見ることがまずキーワードです。ものを見るといっても、我々の"その場"観察は、結晶の外形だけでなく、原子や分子レベルでの"その場"観察です。分子の配列だけでなく、分子がつく・つかないというレベルでの話ができます。ここに不純物がついたとか穴が開いたとか、そういうものを直接見ることができます。結晶の完全性や品質も見ながら、結晶成長を分子レベルで"その場"観察しながらちゃんと調べることができるのです。そこに環境として、宇宙というものが入ってきました。最近は、環境・エネルギーまで応用分野は広がっています。使用済核廃棄物を地下に埋める時、いろいろなコンクリートや容器に入れて地下に埋めますね。ところが地下水があるので、それはどこかで少しずつ溶けていくわけです。その速度はほんのわずかで、国は「10万年は持つ」と言っています。本当にそうだろうか、と我々の装置で測ってみました。これも大事な話ですね。答えを言うと、(国の言う10万年から)2桁ほど違ってくるんです。1000年しか持たないということ。空気中の二酸化炭素を地下で固定する技術にもあるいは、空気中の二酸化炭素を水とともに地下へ持って行く。すると地下では、二酸化炭素が水に溶けて炭酸水になり、岩石が水に溶けるのでカルシウムイオンが出てきます。カルシウムイオンと炭酸水があわさると、だんだん炭酸カルシウムという結晶、つまり方解石ができるわけですね。その速度はほんのわずかですが、方解石になるとなかなか地上に戻っていかないので、空気中の二酸化炭素を地下で固定化することができるわけです。25%削減しましょう」と宣言しているので、精力的にこの研究をしなければなりません。方解石の成長速度がどの程度になって、どれくらい待てば結晶化が始まるのかといった研究はほとんどされていません。そこで、これまでは地上で炭酸カルシウムの結晶をつくる話がされていたのですが、これからは地下で成長するところを見ようという計画を始めています。ほんのわずかな成長速度でも、先述の装置を使えば割と短時間で測ることができるわけです。具体的には、こういう研究をしているんです。炭酸カルシウムの結晶をゾンデの中に入れて、地下水のある地下1000mくらいまで持っていきます。そこでパカッとふたをあけて、その地下水と反応させ、ある一定時間結晶成長させてふたを閉じ、地上に回収して、現地の結晶の成長速度を測っています。すると、「ここでは炭酸カルシウムはよく結晶化している」「ここでは溶けている」といったことが、1km四方の地下でわかるわけですね。なれば「ここに二酸化炭素を持ってきても固定化はできない」といったようなことがよくわかるわけです。―宇宙の経験と地上の経験は大きく違いましたが、地上と地下では違いがありましたか?地上では理想的なことしかできません。水にしても、温度がどれくらい変動しているかわかりません。不純物なども実際にやってみるとまた違いますね。それから場所によっても、その条件が違うのです。個々の地域100m毎に調べることで、その分布も調べることができます。季節や一週間ごとに周期があるとか、そういったこともいろいろわかってきました。次に考えているのは、地下における"その場"観察です。従来の干渉計は巨大でしたが、我々が開発した干渉計は直径小指大のサイズ。ファイナルゴールは、直径1mmの針のような干渉計です。小さな干渉計を地下3000mのあちこちでセンサー状態に放り込めば、そこで本当に二酸化炭素が炭酸カルシウムになって成長したかどうかをちゃんと測定できるようになるわけだね。巨大な干渉計をもっともっと小型化しよう。地下に持って行き、いろいろな"その場"観察をやっていこう。これがこれからの計画です。将来的には、より小さくすることによって、いろいろな分野に使われるようになるでしょう。人間が飲み込んでも良いし、体に差し込んでも良い。針のような干渉計が完成すれば、医学分野にも応用できると思います。メカニズムがわかると、いろいろなところで応用できるほかにも、タンパク質の結晶がどうしてできるかや、どうして「キラル(chiral)※1」が発生するのかという研究も進めています。キラル(chiral)とは、鏡に映ったような構造をもつもの(鏡像体)が重ね合わせることができないことキラルとは、化学構造は同じなのだけど、分子構造で言うと、ちょうど右手と左手のように、L体とD体があって、鏡に映ったような構造をしています。身近な例で言えば、グルタミン酸(「味の素」の主成分)ですね。「味の素」はL体なのだけど、D体は「味の素」の味ではなくて、苦いのですよ。我々が使うのはL体ばかりで、D体は地上にはほとんどないのです。「なぜキラルがあるのだろうか?」と、非常にミステリアスですね。して右手系の結晶ができるのだろう?ある場合は、左手系の結晶ができるのだろう?なぜキラルがあるのかという問題は、生物や物理などいろいろな分野で気になっていることです。そこで我々は、高感度で良く調べられる手法を使って、キラルがどうして発生するのかという研究を進めています。実用においても、特に製薬や食品の分野では、D体とL体を区別することは非常に重要な話です。化学組成が同じなので、分離が非常に難しいんですね。ティーがどうしてできるかがわかれば、どのようにして分離できるかもわかりますね。昔、「サリドマイド事件」といって、ある製薬会社の睡眠・鎮静剤であるサリドマイドを妊婦さんが飲んだら、奇形児が生まれた薬害事件がありました。それはなぜかというと、L体で構成されていた薬の中に、不純物として少量のD体があったからなのですね。そのD体が遺伝子の一部を切ってしまったため、奇形児が生まれてしまったのです。このように、結晶がどうして大きくなるか、あるいはどうして溶けるのか、基礎的なメカニズムがわかれば、いろいろなところに応用することができるわけですね。ひとり新聞社ですので、できる範囲で取材に伺います。2015.01.05平成25年度を振り返りました・・・。「宮城の新聞」に掲載の記事・写真の無断転載を禁じます。すべての内容は日本の著作権法並びに国際条約により保護されています。