2025年ノーベル化学賞を受賞した北川進教授らの「多孔性材料MOF」研究。ガス吸着や医薬応用など、次世代の材料科学を切り拓く革新的発見として世界的に注目されている。
2025年10月8日、科学界で最も権威のある賞の一つ、ノーベル化学賞の受賞者が発表されました。今年の栄誉は、日本の京都大学高等研究院・特別教授である北川進（きたがわ すすむ）氏、メルボルン大学のリチャード・ロブソン氏、そしてカリフォルニア大学バークレー校のオマー・ヤギー氏の3名に贈られました。受賞理由は「金属有機構造体（MOF）の開発」という、私たちの未来を劇的に変える可能性を秘めた新材料の研究です。
「MOFって何？」「それが私たちの生活とどう関係があるの？」そんな疑問を持つ方も多いでしょう。実はこのMOF、まるで魔法のスポンジのように、特定の気体だけを選んで集めたり、危険なガスを安全に保管したり、さらには空気中から水を取り出したりと、驚くべき能力を持っています。この記事では、トップクラスの専門家が、この画期的な発明が一体何なのか、そして私たちの世界をどのように豊かにしてくれるのかを、どこよりも分かりやすく解説していきます。
ノーベル賞の受賞理由となった「MOF」。正式名称は Metal-Organic Framework（金属有機構造体）です。日本では、北川教授が提唱したPCP（Porous Coordination Polymer：多孔性配位高分子）という名前でも知られています。名前だけ聞くと難しそうですが、その仕組みはとてもシンプル。レゴブロックやジャングルジムを想像してみてください。
MOFは、金属イオン（ジャングルジムの連結部分）と、有機分子（連結部分をつなぐ棒）が規則正しく組み合わさってできています。この金属イオンと有機分子の組み合わせを自由に変えることで、内部にできる空間（孔：あな）の大きさや形、性質をミリ単位どころか、分子レベルで自由に「設計」できるのです。これがMOFの最も画期的な点で、いわば分子世界のオーダーメイド建築と言えるでしょう。この設計性の高さが、後述する様々な奇跡のような機能を生み出す源泉となっています。
MOFのもう一つの驚くべき特徴は、その圧倒的な表面積です。内部に無数の微細な孔が空いているため、見た目はただの粉末でも、それを広げたときの面積はとてつもなく広くなります。種類によっては、わずかティースプーン1杯（約1グラム）のMOFの表面積が、なんとサッカーグラウンド1面分以上にも達することがあります。表面積が広いということは、それだけ多くの気体分子と接することができるということ。たくさんの気体を効率よく吸着したり、化学反応を起こしたりするための広大な「作業スペース」を持っている、と考えてください。
「ガスを吸着する材料なら、冷蔵庫の脱臭剤に使われる活性炭や、排ガス浄化に使われるゼオライトがあるじゃないか」と思った方もいるかもしれません。確かに、それらも内部に孔を持つ「多孔性材料」の仲間です。しかし、活性炭やゼオライトの孔は、大きさや形がある程度決まっており、人間が自由にデザインすることは困難でした。一方でMOFは、使う金属や有機分子の種類を変えるだけで、まるで洋服を仕立てるように、特定の分子にピッタリ合う孔を自在に作り出すことができます。この「設計自由度の高さ」が、従来材料では不可能だった精密な分子の分離などを可能にしたのです。
今回の共同受賞において、日本の北川進教授の貢献は特に独創的で、世界の研究者を驚かせました。それは、硬いイメージのある「結晶」が、まるで生き物のように振る舞うという、常識を覆す発見でした。
北川教授は1990年代から、金属と有機物からなる化合物「配位高分子」の研究を精力的に進めてきました。そして1997年、内部に安定した空間を持つ「多孔性配位高分子（PCP）」という新しい概念を発表します。しかし、発表当初、その評価は決して高いものではありませんでした。「結晶のような硬い物質の中に、気体が自由に出入りできる安定した空間などあるはずがない」と、多くの研究者から懐疑的な目で見られたのです。しかし、北川教授は諦めずに研究を続け、PCP/MOFが持つ無限の可能性を証明していきました。
北川教授の最も偉大な功績の一つが、「柔軟な（フレキシブルな）MOF」の発見です。通常、結晶は硬くて形が変わりませんが、北川教授が創り出した一部のMOFは、特定のガスに触れたり、圧力がかかったりすると、構造全体が大きく開いたり閉じたりすることが分かりました。まるで、結晶が「呼吸」しているかのように見えるこの現象は、世界に衝撃を与えました。この構造変化に伴い、ある特定の圧力になると突然ガスの吸着が始まる「ゲート吸着」というユニークな現象も発見します。これは、普段は閉まっている自動ドアが、人が近づいた時だけ開く様子に似ています。この性質を利用すれば、必要な時にだけガスを出し入れする、賢い貯蔵庫を作ることが可能になります。
「ゲート吸着」の素晴らしい応用例が、アセチレンガスの安全な貯蔵です。アセチレンは、金属の溶接などに使われる非常に有用なガスですが、少しの衝撃や圧力で爆発しやすいという危険な側面も持っています。そのため、これまではアセトンなどの有機溶媒に溶かして、重くて大きなボンベで運搬する必要がありました。しかし、北川教授が開発した柔軟なMOFを使うと、爆発の危険がないごく低い圧力（2気圧未満）で、大量のアセチレンガスをMOFの内部に安全に閉じ込めることができます。そして、使う時は常圧に戻すだけで、ガスを簡単に取り出せるのです。これにより、ガスの貯蔵・輸送が劇的に安全かつ効率的になり、エネルギーコストの削減にも繋がると期待されています。
MOFの本当のすごさは、その応用範囲の広さにあります。地球環境問題からエネルギー、医療に至るまで、人類が抱える様々な課題を解決する切り札として、世界中で研究開発が進められています。
MOFが最も期待されている応用分野の一つが、二酸化炭素（CO2）の分離・回収です。地球温暖化の主な原因であるCO2を、発電所や工場の排気ガスから効率よく取り除くことができれば、気候変動対策に大きく貢献できます。MOFの孔の大きさや性質を精密に設計することで、排気ガスに含まれる窒素など他のガスは通し、CO2だけを選択的にスポンジのように吸着することが可能です。そして、少し温度を上げたり圧力を下げたりするだけで、吸着した純粋なCO2を簡単に取り出せます。この技術は、回収したCO2を地中に貯留したり、有用な化学製品の原料として再利用したりする「カーボンニュートラル社会」実現のための鍵となります。
水不足は世界的な課題ですが、実は湿度が10〜20%しかない乾燥した砂漠の空気中にも、水蒸気は存在します。ヤギー教授の研究グループは、水分子と非常に結びつきやすい性質を持つように設計したMOFを開発しました。このMOFを使うと、夜の間に空気中のわずかな水蒸気を効率よく吸着し、日中に太陽光で温めることで、閉じ込めていた水を液体として取り出すことができます。電源がない場所でも、太陽光さえあれば飲料水を生み出せるこの「空気からの水収穫」技術は、水資源に乏しい地域の人々の生活を救う夢のテクノロジーとして、実用化に向けた研究が進んでいます。
次世代のクリーンエネルギーとして期待される水素。しかし、水素は非常に軽くて体積が大きいため、自動車の燃料などとして使うには、高圧で圧縮したり、液体にしたりする必要があり、安全性やコストに課題がありました。ここでもMOFが活躍します。MOFの微細な孔の中に水素分子を効率よく詰め込むことで、より低い圧力で、より安全に、より多くの水素を貯蔵する研究が進められています。これが実現すれば、水素燃料電池車の普及が加速し、CO2を排出しないクリーンな「水素社会」の到来を大きく後押しすることになるでしょう。
MOFの可能性はこれだけにとどまりません。例えば、体内の狙ったがん細胞にだけ薬を届けるドラッグデリバリーシステムへの応用や、近年その有害性が問題になっている有機フッ素化合物（PFAS）のような水中の汚染物質の除去、化学反応を効率的に進める高性能な触媒など、医療、環境、化学産業のあらゆる分野で、その応用研究が花開いています。まさに、MOFは無限の可能性を秘めた「魔法の物質」なのです。
今回の受賞は、北川教授一人の力だけでは成し遂げられませんでした。分野の礎を築き、発展を牽引してきた共同受賞者たちの功績も非常に重要です。
アメリカのオマー・ヤギー教授は、MOFという研究分野を世界に知らしめた立役者の一人です。彼が開発した「MOF-5」に代表される、熱や化学薬品に対して非常に安定で、極めて高い表面積を持つ「剛直なMOF」は、その後の研究の爆発的な発展のきっかけとなりました。ヤギー教授が確立した安定なMOFの合成技術があったからこそ、CO2回収や水素貯蔵といった実用的な応用研究が大きく前進したのです。
オーストラリアのリチャード・ロブソン教授は、MOFの概念が生まれるさらに前から、金属イオンと有機分子が連結してネットワーク構造を作る「配位高分子」の可能性に着目していた、この分野の真のパイオニアです。彼が提唱した分子設計の基本戦略は、北川教授やヤギー教授をはじめとする後進の研究者たちにとって、大きな道しるべとなりました。今日のMOF分野の隆盛は、ロブソン教授の先駆的な研究なくしてはあり得ませんでした。
2025年のノーベル化学賞は、北川進氏、オマー・ヤギー氏、リチャード・ロブソン氏という三人の巨匠が切り拓いた、「分子を自在に設計し、社会課題を解決する」という新しい化学の扉を開いた功績に贈られました。
レゴブロックのように分子を組み立てて作る魔法のスポンジ「MOF」。それは、地球温暖化やエネルギー問題といった人類規模の課題に立ち向かうための希望の光です。北川教授の「呼吸する結晶」という独創的な発想は、科学の面白さと、常識にとらわれないことの重要性を私たちに教えてくれます。
この受賞は、長年にわたる地道な基礎研究が、やがて社会を大きく変える力になることを証明しました。MOFが私たちの生活のあらゆる場面で活躍する未来は、もうすぐそこまで来ています。今後のさらなる研究の発展に、心から期待したいと思います。
本記事は生成AIを活用して作成しています。内容については十分に精査しておりますが、誤りが含まれる可能性があります。お気づきの点がございましたら、コメントにてご指摘いただけますと幸いです。
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