朝日研究室　物性科学班　研究紹介

キラルドラッグの代表例であるサリドマイドは、鎮痛・催眠剤として販売されましたが、妊婦が服用した際に重篤な副作用である催奇形性が報告され、一旦販売が中止されました。しかし、近年になりサリドマイドは、ハンセン病、多発性骨髄腫など、複数の難病に対する薬効が報告され、販売が再承認されるなど再び注目を集めています。

サリドマイドはキラリティにより、その薬理作用が大きく異なります。さらに、このサリドマイドのキラリティは条件により反転してしまうため、安全性の観点から「どういう条件でキラル反転してしまうか？」を評価することが不可欠です。しかし、サリドマイドは固体状態で販売・服用されているにも関わらず、キラリティに関する研究はほぼ全てが溶液中で行われており、固体状態における研究は数例を除いてありません。

本研究では、我々が独自に開発してきた光学測定装置 G-HAUP により、固体状態のサリドマイドのキラリティを「固体状態のまま」評価することにより、固体状態における安定性、反応性（キラル反転・加水分解）などの物理化学的特性をより正確に明らかにすることに挑戦しています。

我々は、サリドマイドの結晶を溶媒蒸発法により育成し、単結晶X線構造解析及び量子化学計算を行うことにより、融点や溶解度といった物理化学的性質の違いが結晶構造に起因していることを世界に先駆けて明らかにしました [1]。また、これまで明らかとなっていなかったサリドマイド代謝産物 CBG の絶対構造を決定し [2]、サリドマイドとCBGを含む代謝産物間の加水分解・脱水反応メカニズムを明らかにしました [3–5]。さらに、昇華法による結晶育成法を開発し、気相中でサリドマイドがキラル反転を起こす可能性があることを実験的に明らかにしました [6, 7]。エナンチオマー結晶とラセミ結晶の温度依存性を世界で初めて測定し、二量体の対称性のわずかな違いに起因して熱膨張挙動に明確な差異が生じることを明らかにしました [8]。また、極性非プロトン性溶媒であるアセトニトリルをはじめ、複数の溶媒中における円二色性および旋光性測定を通じて、TDのキラル光学特性を系統的に検討しました [9]。

超伝導現象は、電力・輸送・産業・情報などの広範な分野において、大幅な省エネルギー化が期待されています。一方、超伝導現象は極めて低温で発現する現象であり、その室温における実用化への道には目処が立っていません。この理由として、高温超伝導の発現機構が未だ解明されておらず、超伝導転移温度 (T_c) のさらに高い物質を設計・合成するための指針が立てられないことが挙げられます。高温超伝導の発現機構の解明のためには、超伝導体が持つ「特別な秩序」を明らかにする必要がありますが、この秩序に関する議論には未だ決着がついていません。

本研究室では、独自に開発してきた光学測定装置 G-HAUP により、擬ギャップ相における対称性の破れの存否を明らかにすることにより、銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップ相における秩序形成が何かを見出したいと考えています。G-HAUP は、光学活性・円二色性と直線複屈折・直線二色性の同時測定が可能な唯一の偏光分光法です。

劈開性を示す銅酸化物高温超伝導体 Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (Bi2212) 結晶の a 軸、b 軸方向の格子定数の異方性は非常に小さいにも関わらず、驚くべきことに非常に大きな直線複屈折の異常分散と直線二色性のピークがそれぞれ 345、330 nm で観測されることを発見しました [1]。また、フローティングゾーン法によりさまざまな Pb 含有量の Bi_2−xPb_xSr₂CaCu₂O_8+δ 単結晶を育成し、光学的異方性の起源がその「うねり構造」（不整合変調）に関連していることを明らかにしました [2]。

現在、測定試料を低温まで冷却可能な G-HAUP を新たに構築しています。今後、低温冷却 G-HAUP を用いて擬ギャップ相における旋光性・円二色性と光学的異方性を測定することにより、擬ギャップ相における対称性の破れの存否を明らかにし、高温超伝導体が持つ特別な秩序を解明することを目標に研究を進めています。

物質のキラリティを定量的に評価することはきわめて重要です。キラリティを評価する手法として、左右円偏光に対する屈折率の差（光学活性）と吸収率の差（円二色性）の測定が挙げられます。キラル光学的性質を測定する汎用的な手法として、旋光計や円二色性分散計が用いられてきました。しかし、これらの測定手法が適用できるのは、溶液やアモルファス薄膜のような等方性物質に限られます。結晶や配向性薄膜のような異方性物質では、複屈折や直線二色性といった光学的異方性が同時に存在するため、通常の旋光計や円二色性分散計ではキラリティを定量的に測定・評価することはできませんでした。

小林らは 1983 年に、画期的な光学測定装置、高精度万能旋光計 (High Accuracy Universal Polarimeter、HAUP、通称ハウプ) [1-2] を開発し、異方性物質のキラル光学的性質と光学的異方性の同時測定を可能にしました。小林の流れを汲む当研究室は、HAUP をさらに進化させた一般型高精度万能旋光計 (Generalized-HAUP、G-HAUP) [3,6,8,14] を用いて、アキラルな分子から成るキラル結晶の光学活性測定 [4,8,10,14]、アミノ酸結晶の光学活性測定 [4,8-9,14]、層状無機結晶にインターカレートした有機色素分子のキラル光学的性質測定 [3]、バイオマテリアル積層コラーゲン薄膜の光学活性測定 [5-6,11]、キラルなフォトメカニカル結晶のキラル光学的性質測定 [7-8,14] を行い、他の物理量では決して得られない様々な有益な知見を明らかにしてきました。また、研究領域をキラル光学から磁気光学分野へと拡げ、HAUP の光学系を試料に磁場が印加できるように改良することにより、光軸に垂直な方向のファラデー回転（磁場を光の進行方向に平行/反並行に印加したときの光学活性）の世界初の精密測定にも成功しました [12,14]。

さらに最近では、従来の HAUP 法における課題を克服するため、透過光強度が大きくなる光学配置（対角位）に基づく新たな測定原理を開発しました。従来の HAUP 法は、透過光強度が最小となる光学配置（消光位）を用いるため、強い光吸収を示す試料や、光源強度が低下する波長域では、信号対雑音比 (S/N 比) が低下するという課題があった。これに対し、対角位に基づく新たな測定原理では、従来法で必要とされた二次元的な測定を行うことなく、直線偏光子の不完全性に起因する系統誤差の影響も排除できる点が明らかとなった。本測定原理を、非吸収性の一軸性結晶である MgF₂ および強い光吸収を示す銅酸化物超伝導体 Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (Bi2212) に適用した。その結果、対角位近傍での測定から得られた LB および LD は、従来法による測定結果 [13,15] と高い精度で一致した。さらに、測定時間を短縮できることも明らかにした [16]。

液体と結晶の特徴を併せもつ「液晶」は、ディスプレイや温度計、食品医薬品化粧品などに応用されています。なかでも、空間反転対称性の破れたキラル液晶は、熱エネルギーを運動に変換できるため、スーパーコンピュータから捨てられる熱エネルギーの有効活用と GX 化への貢献が期待されています。

多くの研究が相転移温度近くで行われていますが、そのような系は狭い温度範囲でしか維持できないため、温度変化に晒される実社会への応用には向きません。そこで本研究では、相分離を利用し、あらゆる温度で動作可能なロバストな熱エネルギー変換デバイスの開発を進めています。これまでに、液晶を特殊なアルコール中に浮遊させることで、温度安定性を 0–100℃ に拡大しました。

また、エネルギー変換効率を高めるため、幾何学（トポロジー）にも注目しています。アルコール中を浮遊する液晶は、界面張力の作用で球形にまとまります。このとき、液晶分子の配向秩序が著しく変調されます。この柔らかい幾何学であるトポロジーを活用し、Carnot サイクルの理論限界に迫る世界最高効率の熱エネルギー変換デバイスの作製を目指しています。