メキシコシティで少年時代を過ごしたユリイ・ロマンは、物事がどのように動くのかに関心を持っていた。裏庭に出て、母親が洗濯に使う洗剤に化学物質を混ぜ、組み合わせによってうまくいくものとそうでないものがあるのはなぜかを理解しようとした。持続可能性への関心にも後押しされた彼の学問上の歩みは、ウィスコンシン大学マディソン校のジェームズ・デュメシック教授の研究室での大学院研究へとつながった。デュメシックは、バイオ燃料とバイオマス化学の分野における世界有数の研究者である。
現在、ロマンはMIT化学工学科の研究グループを率いている。彼の研究の中心は、セルロースやリグニンなど、植物の食用でない部分を触媒変換し、燃料や、プラスチック、接着剤、潤滑剤、洗剤、肥料、医薬品などの製造に役立つ化学物質にすることだ。触媒は化学反応を引き起こしたり促進したりする材料であり、化学プロセスを産業的に実現可能にする鍵となることが多い。何十年もの間、触媒の研究開発は、反応をより速く、より低コストにすることに重点を置いてきた。触媒材料の活性が高いほど、化学反応は速くなる。また、触媒材料が安価であるほど、反応の最終生成物のコストは低くなる。
しかし、気候の変化と化石燃料をめぐる経済状況の変動により、世界が触媒を製造し、利用する方法を変える必要性が差し迫っている。ロマンによれば、触媒分野では、速度とコストだけでなく、汎用性と効率性も追求しなければならない。化石燃料ではなく植物を原料として使う動きに伴い、石油化学製品の処理に使われる触媒材料は、バイオマスに対応できるよう改良するか、まったく新たな材料を開発する必要がある。また、廃棄物を最小限に抑えるため、プロセスを可能な限り効率化する必要があるとロマンは言う。「石油化学製品向けに開発した触媒を通常使うと、こうした変換の一部は行えますが、決して同じほど有効でも効率的でもなく、材料も決して同じほど安定していません。」
ロマンの研究グループによる最近の進展の一つは、植物由来物質を、燃料やポリマーの製造に使われる化学物質であるγ-バレロラクトンに変換する従来のプロセスを作り直したことだ。このプロセスは従来、複数の工程を要し、貴金属と高圧水素ガスを使っていた。新しいプロセスは単一工程で行われ、貴金属も水素ガスも必要としない。鍵となったのは、多孔性の高い材料の微細な細孔に、ごく微量の酸を収めることだった。この酸の作用により、水素ガスが不要になった。
バイオマス処理に有効な触媒を見つける際の課題は、こうしたプロセスには必ず水が関与し、この場合、水が酸を損なうことだ。ロマンのチームは、材料工学の技術を生かし、材料の細孔を水をはじくよう調整した。「水の存在下で、こうした化学反応、つまりルイス酸に基づく化学反応を行えるようになります」とロマンは言う。「これを使って、さまざまな種類のバイオマス由来原料を処理し、新しい種類の化学物質を作っています。」
ロマンは、触媒分野の未来を変えたいのであれば、いくつかの境界、とりわけ化学工学と材料科学の間の境界を越えなければならないと分かっていた。MITに来る前、ロマンはカリフォルニア工科大学のマーク・デイヴィス教授の研究室に加わり、触媒として一般的に用いられる材料の一種である微孔性・メソ孔性材料の製造と分析について、最先端の研究を行った。
触媒の開発といえば、かつては速度論や反応性の研究、つまり伝統的な化学工学の領域を意味していた。現在、最先端の触媒研究には、分光法、材料設計、計算モデリングなど、幅広い分野のツールと技術が必要だ。「異なる分野の境界は本当に薄れつつあり、これを積極的に受け入れることがとても重要だと思います」とロマンは言う。「異なる学科の人々と交流する際の障壁が低いという点は、MITならではだと感じています」と彼は言う。「分野の接点で研究を始めるにつれ、状況を一変させる新たな発見が見えてくるはずです。」
共同掲載： MITニュース
著者：エリック・スマリーはフリーランスのライター兼編集者。
画像：ショベル式掘削機が固形下水汚泥をトラックに積み込み、トラックが畑に汚泥を散布している。Flickr： SuSanA。
