暗い冬のこの時期、人工の光にも思いを向けてみてください。祝祭気分を盛り上げるイルミネーションから、季節性情動障害を和らげる人工太陽灯まで、光は私たちの日々を明るくしてくれます。その用途は、さらに広がる可能性があります。国連は、光技術が国際的な課題に解決策をもたらすことへの認識を高めるため、2015年を「 国際光年および光技術年 」に指定しました。光技術は現在、エネルギー、健康、農業の各分野で活発に研究されています。
照明の道を切り開く
1800年代後半、トーマス・エジソンは実用的な電球を生み出しました。それは電力で動く長寿命の光源であり、私たちの仕事や余暇、睡眠の習慣を大きく変えました。新しい方法で光を制御できるようになったことで、世界を体験し、見る方法も一変しました。光ファイバー網などの光技術により、インターネットを通じて世界中の人々とすばやくつながることができます。発光ダイオード（LED）は今や、スマートフォンなどの家電製品から家庭用照明の電球まで、あらゆるところで使われています。
CoeLuxの人工天窓は、私たちにとって最も重要な光源である太陽を模倣する技術を活用しています。 ジェームズ・ホロウェイ。
最近の例として、研究者たちが10年以上かけて改良を重ねた CoeLux システムがあります。この人工天窓は、 Lux Awards 2014 の「年間最優秀光源イノベーション賞」を受賞しました。赤道から北欧まで、さまざまな緯度の日差しを模倣し、部屋の天井いっぱいに広がる光を作り出せます。晴れた空を再現する鍵は、ナノ構造材料を使い、LEDの光を大気中の微粒子が太陽光を散乱させるのと同じように散乱させること、いわゆるレイリー散乱です。欧州委員会によるこのプロジェクトへの資金提供は、光マネジメントとナノテクノロジーの科学的進歩を可能にするとともに、病院から地下駐車場まで、屋内環境の生活の質を高める可能性のある装置の完成を後押ししました。
研究を照らす
LEDが一般照明に活用できることの全容が明らかになったのは、ごく最近のことです。赤色と緑色のLEDは10年以上にわたって商業利用されていましたが、白色光を生み出すために欠けていたのは青色でした。赤崎勇、天野浩、中村修二は、1990年代初頭にこの青色の難題を解決しました。彼らの研究のおかげで、白色LEDは今や広く普及しています。この省エネルギー型の発明が認められ、彼らは昨年、ノーベル 物理学 賞を受賞しました。
昨年は、単一分子の存在を検知するための工夫を用いた光ベースの顕微鏡技術が、ノーベル 化学 賞の対象としても評価されました。顕微鏡観察には回折による限界があり、隣り合う2つの物体を識別するには、観察に使う光の波長の半分を超える距離だけ離れている必要がありました。しかし、ノーベル賞受賞者のエリック・ベツィグ、シュテファン・ヘル、W・E・メルナーは、それぞれ異なる手法を取りながら、同様の原理を用いて回折限界を超え、個々の分子の蛍光を制御して詳細に観察しました。分子から放出される光を点灯させたり消したりすることで、科学者たちはナノメートル規模で分子の位置を再構成できました。
仕組みは次のとおりです。まず、蛍光分子またはタンパク質の一部に弱い光パルスを当てて励起します。発光が弱まった後、別の蛍光分子群を励起します。この点灯と消灯のサイクルを繰り返し、画像を処理して重ね合わせることで、個々のタンパク質の高解像度マップを作成します。生きた細胞のナノの世界をのぞき込み、たとえばアルツハイマー病やハンチントン病などの初期段階でタンパク質がどのように凝集するかを観察する取り組みは、まだ始まったばかりです。単一分子レベルで病気の進行を理解すれば、早期介入が有効となる時期の特定に役立つ可能性があります。
投資家は光明を見いださなければならない。
光は化学や物理学などの分野をつなぐ科学であり、私たちの暮らしと世界をより良くしています。しかし、光を自在に操る方法を学ぶには費用と時間がかかります。技術の多くは、基礎科学研究への投資に加え、もちろん偶然の発見や状況に恵まれた機会を基盤として生まれます。LEDを例に挙げましょう。 青色LEDの研究 は40年以上前にラジオ・コーポレーション・オブ・アメリカで始まりましたが、同社の資金調達体制の変化によって開発は20年間停滞しました。その後、昨年のノーベル賞受賞者たちが材料の問題と量産化のプロセスを解決しました。
まだ想像も目にしたこともないものの、私たちの日常に変革をもたらし得る将来の技術のためには、基礎研究への継続的かつ安定した支援が欠かせません。たとえば農業では、太陽エネルギーの収穫効率を高め、温室を通じてそれを熱に変換することで、一年を通じた生産や、現在は特定の気候では入手できない作物へのアクセスが可能になるでしょう。
化学研究者としての私自身の仕事では、研究グループが ウイルス粒子ほどの大きさのレーザーを発明しました。従来の光制御法では不可能なはずですが、金属ナノ粒子が光を小さな空間に閉じ込めることで実現しました。この極小レーザーは有望な光源であり、高帯域幅でデータを送受信したり、微量分子や生物剤を検出したりする用途が期待されています。
ナノレーザーの構築には、隣接する金ナノ粒子の形状と位置を精密に制御する必要がありました。こうしたナノ構造を製造できるようになったのは、コンピューターの微小部品を作るナノ加工ツールの開発に、電子産業が数十年にわたり投資してきたからです。昨年の化学賞と物理学賞が示すように、基礎と応用の双方への投資が不可欠です。
国連がこの国際光年を指定したことで、こうしたイノベーションの可能性と、将来の技術への投資を続ける必要性に注目が集まるでしょう。冬の憂うつを吹き飛ばす新しい方法から、狭い空間で光を操る技術まで、人工光の未来はまさに明るいものです。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
Forum:Agendaを 毎週配信のニュースレターで購読する。
著者：テリ・オドムはノースウェスタン大学の化学教授です。
画像：2009年8月31日、ミュンヘンのアパートで従来型の白熱電球が見られる。「白熱電球は2009年9月から2012年9月にかけて段階的に廃止される」と、EU議長国の報道官は2008年12月に述べた。欧州の家庭では、より効率的なハロゲンランプ、LED、蛍光CFLランプに切り替えることで、当初は年間最大50ユーロ（65ドル）を節約できる可能性があり、より高価だが長寿命の電球の価格が下がれば、節約額はさらに大きくなる。
