振り返ると、科学者になる道は幼い頃から開けていた。4歳くらいの頃、行儀よくしていたご褒美に、たくさんの数字を足し算させてもらいたいと思っていた。西シドニーで育った私たちにはあまり余裕がなく、長期間大学に通う費用は家計に合わなかった。
状況を変えたのは、母が、家族の誰も大学に進んだことがなかったにもかかわらず、何があっても姉と私を大学に行かせると決めたことだった。
大学に進む頃は数学者になろうと思っていたが、結局、自分にはそこまでの才能がなかった。化学もとても好きだったので、白衣を着て研究室に入った。
UNSWで ロブ・ラム と取り組んだ博士課程の研究を通じて、基礎化学を応用課題に結びつけることに強く関心を持つようになった。研究室で進めていることが、いつか研究室の外で役立つかもしれないと思ったからだ。
CSIROに加わったとき、 アニタ・ヒル は多孔質材料の研究で素晴らしい成果を上げていた。私たちは、穴がたくさんあるものなら何でも興味を持っていた。最も穴の多い材料を研究するのは理にかなっていた。それが新境地を開く最善の方法だった。
金属有機構造体（MOF）は、有機リンカーで金属原子同士をつないだものだ。適切な化学反応が起きると、建物の骨組みのような構造が形成される。外側から見ると砂糖や塩の結晶のようだが、内部では構造中のすべての原子が空間に露出している。そのため、結晶の最大80%は空っぽで、何もない空間になっている。
構造の内部にある原子がすべて空間に露出しているため、表面積は非常に大きくなる。多くのMOFは、1グラムあたり5,000平方メートルを超える表面積を持つ。小さじ一杯分の粉末の中にサッカー場があるようなものだ。
まず、私は次のような化学者に刺激を受けた。 リチャード・ロブソン や ジェフ・ロング は、この膨大な表面をスポンジのように使えることを示していた。
たとえば、MOFに天然ガスを吸着させることができる。この粉末をタンクに入れると、圧縮した場合と同じスペースに、何倍もの量のガスを貯蔵できることが分かった。スポンジ効果はそれほど強い。天然ガスを動力源とする車は、より安価でクリーンになり得るうえ、ガソリン車と同じ距離を走れるだけのガスを積載できる。
私たちのチームは、大量の 水素 や 天然ガス 燃料を貯蔵し、さらに 二酸化炭素 も大量に回収できるMOFを設計した。
太陽光に当たると自ら 絞って再生する MOFスポンジも作った。二酸化炭素の回収に使うエネルギーの大半は、回収材を再生するために費やされる。そのため、太陽光を使う方法は魅力的な代替策だ。
MOFのもう一つの特徴は、穴の大きさがすべて同じことだ。小麦粉用のふるいのように、穴によって大きなものと小さなものを分けられる。私は興味を持ったものの、この分野についてあまり知らなかったので、 リッチ・ノーブル が学ぶためにしばらく訪問する機会を与えてくれたのは幸運だった。ノーブルはコロラド大学ボルダー校に所属している。
MOFの粉末を高分子膜、つまり薄いプラスチックシートに加えれば、ある気体が別の気体より速く通り抜けるようにできると考えた。これは、天然ガス、酸素、水を利用できる状態にする最良の方法だ。
予想どおり性能の向上が見られたが、さらに興味深い効果も偶然発見した。こうしたプラスチックシートは長持ちせず、内側に崩れ込んで劣化する。数週間もすると、気体があまり速く通り抜けなくなる。
特定のMOFが特殊な混合物を形成し、シートを開いた状態に保つようだった。その結果、シートは 数週間ではなく何年も持つようになった。現在、私たちはこの劣化を抑える膜を、防衛から農業、エネルギーまで幅広い用途に向けて開発している。
研究を始めた頃は、小さじ一杯分のMOFを作るだけでも大仕事だった。大量に効率よく作れなければ、実用化は決してできないと分かっていた。
と タシュ・ポリゾス とともに、連続フロー化学を使って反応時間を72時間から 1.2分 に短縮した。
反応がより速く、よりクリーンに進むため、これが化学合成の未来だ。そしてMOFにとって、大きな転機となった。
今では、実用に足る量のMOFを作り、多種多様な用途に活用できる。
オーストラリア連邦科学産業研究機構（CSIRO）のマシュー・ヒル博士は、首相科学賞の一つであるマルコム・マッキントッシュ年間最優秀物理科学者賞を受賞した。
画像：CSIROのマシュー・ヒル博士が化学モデルを手にしている。Wildbear提供。
