2025年ノーベル化学賞を読み解く：分子の建築が拓く新しい物質の世界－多孔性材料（MOF）で探る化学の最前線－

2025年12月26日公開

ストーリー研究化学材料応用化学

2025年のノーベル化学賞は、「金属有機構造体（MOF）」の開発により、北川進特別教授（京都大学）、リチャード・ロブソン教授（豪メルボルン大学）、オマール・ヤギー教授（米カリフォルニア大学バークレー校）の3名に贈られました。授賞理由、MOF開発の歴史、応用分野などについて東京科学大学 (Science Tokyo) 理学院化学系の河野正規（かわの・まさき）教授が解説します。

2025年のノーベル化学賞の受賞理由と概要を教えてください

河野　　授賞理由は、「金属有機構造体（MOF）」の開発です。MOFは金属イオンと有機化合物が結合してできる材料です。英語のMetal-Organic Framework（メタル・オーガニック・フレームワーク）の頭文字を取ってMOF（モフ）と呼ばれています。

MOFには大きく2つの特徴があります。1つ目の特徴は、金属イオンと有機化合物の組み合わせを変えることで、さまざまなMOFを作ることができることです。金属イオンは80種類もあり、有機化合物と結合する手の本数を自由に選ぶことができます。また、有機化合物は炭素が連なった構造をしており、数百万種類もの種類があります。そのため、金属イオンと有機化合物の組み合わせ方によっては、さまざまな立体構造をもつMOFを自由に設計・構築できます。そのため、MOFの研究は「分子建築学」とも呼ばれます。MOFの2つ目の特徴は、ナノメートル（ナノは1メートルの10億分の1）という非常に小さな孔が無数に開いていることです。たとえば、1cm³サイコロ状のMOFの場合、無数の孔があることで、サッカー競技場に匹敵する表面積を持っているのです。

これら2つの特徴によって、MOFは気体の分子を大量に取り込むことができます。構造をうまく工夫すれば、狙った気体だけを選んで吸着させることもできます。具体的な応用例として、
・砂漠の空気中に微量に含まれる水蒸気を吸着して飲料水を生み出す
・空気中から温室効果ガスの一種である二酸化炭素のみを吸着して回収する
・有毒ガスだけを吸着して環境を浄化する
などが報告されています。そのため、MOFは持続可能な社会の切り札として、特に2000年以降、注目度が急速に高まっています。

MOFの開発の歴史と、受賞者3名の功績を教えてください

河野　　「ノーベル賞を受賞するには30年かかる」と言われますが、MOFの研究のはじまりも約30年前にさかのぼります。最初のきっかけを作ったのはリチャード・ロブソン教授でした。

1970年代に、ロブソン教授は、大学の化学の講義のためにダイヤモンド結晶の分子模型を準備していました。その時、分子を組み合わせれば新しい立体構造が作り出せるのではないかと着想したそうです。その後10年ほど研究を続け、1989年には、銅イオンと有機分子を結合させた新しい構造を発表しました。その論文の中で、ロブソン教授は重要な予言をしています。「この物質には無数の孔が開いているので、この中にさまざまな分子を閉じ込め、回収したり貯蔵したりできる」と。わたしは、当時この論文を読んだとき、新しい構造の物質を作った上に、その有用性まで見すえていたロブソン教授の先見性に大いに感銘を受けたことを覚えています。

一方、北川教授にとってのMOF研究の出発点は、銅イオンと有機化合物から無限に連なる多孔質の物質を構築できることを発見したことです。北川教授はこの物質を「多孔性配位高分子（PCP）」と名付けました。PCPは実質的にMOFと同じものです。MOFと命名したのは、1997年頃に同様の構造の物質を発見したヤギー教授でした。

北川教授は、さらに、MOFが金属イオンと有機化合物の組み合わせによってさまざまな立体構造を構築できることに注目し、MOFに特定の気体を吸着させる研究を開始しました。それまでにも、多孔性の気体の吸着材としては、ゼオライトや活性炭がありましたが、これらの物質は硬く、孔の大きさなどを制御できないために、吸着する気体の種類を選り分けることができませんでした。それに対し、北川教授は特定の気体を吸着できる柔軟で独自性の高いMOFを次々と開発していきました。

北川教授が開発したMOFは、柔らかく、立体構造がダイナミックに変化するというユニークな特徴がありました。1997年に発表されたMOFは、層状に積み重ねられた木組みのような構造をしており、気体を吸着する際には、層が横にスライドして孔が大きくなり、気体を回収すると、層が戻って孔が小さくなるなど、立体構造が大きく変化します。それにより、気体を高速で吸脱着できたのです。

実際のところ、北川教授がMOFの開発を始めた頃は、ほとんど誰からも見向きもされなかったといいます。「無用の長物」と思われていたMOFの無数の孔に可能性を見出し、基礎研究を継続してきたことが、北川教授の今日の功績につながっているのです。北川教授の座右の銘である「無用の用」には、そのような思いが込められています。

それに対し、ヤギー教授は、北川教授とは対照的に、非常に頑強なMOFを目指しました。中でも、亜鉛イオンと有機化合物を組み合わせた「MOF-5」という彼の代表作は、ネットワーク状のジャングルジムのような構造をしており、構造の安定性が非常に高いことで大きな注目を浴びました。孔の中に何も入っていない状態で、350℃まで加熱しても立体構造がまったく壊れないのです。

ヤギー教授は、ヨルダンの首都アンマンでパレスチナ難民の子として1965年に生まれました。そして、親の勧めでアメリカの大学に留学し、大変な苦労を重ねながら、カリフォルニア大学バークレー校の教授となりました。彼はMOFの立体構造の美しさに魅了され、美への探求心が研究の原動力になったといいます。

世界中で進められているMOFの研究の現状や、Science Tokyoでの取り組みについて聞かせてください

河野　　MOFは空気中から水素やメタン、二酸化炭素、窒素といった気体を選択的に回収できます。そのため、エネルギー、資源、環境といった分野で大きな期待が寄せられています。実用例として、砂漠の空気中に微量に含まれる水蒸気を吸着して飲料水を生み出したり、あるいは、空気中から温室効果ガスの一種である二酸化炭素のみを吸着して回収するといったことが既に報告されています。また、新たな分野として、医療分野でも注目が高まっています。医薬品をMOFに充填し、薬のように飲むことで、体内の必要な場所に薬を届けるドラッグ・デリバリー・システムへの応用などが検討されています。

2025年11月現在、MOFを扱うスタートアップ企業は世界で44社あります。そのうち、3社は日本企業で、その中の1社「TEKMOF（テクモフ） ↗」は、わたし自身が中心となって2024年2月に設立しました。MOFを用いた分子構造解析の受託サービスやコンサルティングを行っており、Science Tokyo出身の研究者も参加しています。MOFに興味のある方はぜひ大学、テクモフにお越しください。そして、研究開発をともに進めていきたいと願っています。

＊　本記事は、2025年11月26日（水）にオンライン開催されたScience Tokyoノーベル賞解説講演会の内容をもとに制作しています。