活性碳、沸石以及金屬有機框架（MOF）都擁有無數微中孔隙，能夠吸附並釋放特定化學物質分子等。名古屋大學研究生院工學研究科的山內悠輔卓越教授成功確立了擁有同類構造並能夠導電的「導電奈米多孔體」的合成方法。山內教授長期致力於構建奈米（1奈米為10億分之1米）尺度結構體的「奈米空間」，並以實現高度集成化的「混合空間」（Hybrid Space）為目標開展研究。從開發前所未有的高性能、高效率觸媒，到癌症標誌物及微塑膠檢測等，山內教授正致力於其研究成果在多個社會領域的應用。
山內 悠輔
名古屋大學 研究生院工學研究科 卓越教授
昆士蘭大學 教授
2020年起擔任ERATO項目總括負責人
開發第二代無機多孔材料
在多個用途展現壓倒性優勢
獲得2025年諾貝爾化學獎的研究對象——金屬有機框架（MOF），是一種擁有大量微中孔隙的結構材料，被統稱為「多孔體」。作為能夠吸附和釋放化學物質分子的材料，其應用已十分廣泛，例如具有除臭功能的活性碳，用於寵物便所砂的沸石等。
MOF是由含有碳、氮等元素的有機分子與金屬離子構成的多孔體，同時也存在不含有機分子的無機多孔體。其中，以二氧化矽為材料、擁有奈米級孔的介孔二氧化矽（Mesoporous Silica）為無機多孔體的代表性物質。
長期從事無機多孔材料研究的山內悠輔教授，利用自主開發的方法成功製備出了可導電的多孔材料——「導電奈米多孔體」，受到全球材料化學領域的高度關注。山內教授介紹說：「無論是沸石、MOF還是介孔二氧化矽，本身都不導電，因此主要用於氣體分子的吸附和分離。而導電奈米多孔體則在導電性能、骨架結晶性以及組成和孔結構的多樣性等方面擁有壓倒性的優勢。」他將導電奈米多孔體稱為「下一代無機多孔材料」。
在導電奈米多孔體中，含有金屬原子的金屬奈米多孔體的導電性能尤為突出，而且能夠實現各種各樣的組成和結構設計，因此被認為擁有極為廣闊的應用前景。預計可用於光感測器、電池、血糖檢測等醫療感測器、空氣及水下環境觀測感測器，以及利用氫氣發電的燃料電池等領域。
以球狀微胞為模板沉積金屬
靈感源於抗癌藥物遞送技術
2007年，在早稻田大學獲得博士學位後，山內進入了國立研究法人物質材料研究機構（NIMS）工作，當時，介孔二氧化矽和沸石等多孔材料正備受關注。他認為，如果能夠製造出導電的多孔體，將有望催生大量新應用，因此開始研究導電奈米多孔體的合成方法，但研究道路相當險峻。
獲得轉機的靈感出現在2012年。那一年山內獲得茨城縣科學技術振興財團頒發的「筑波獎勵獎·青年研究者部門」獎項。同年，東京大學的片岡一則教授因開發利用聚合物包裹抗癌藥物並將其輸送至癌細胞的奈米機器而獲得江崎玲於奈獎。該技術利用同時具有親水基和疏水基的聚合物形成球狀微胞，並將抗癌藥物封裝其中。技術核心在於實現微胞結構的穩定化。
圖1 左圖為微胞（Micelle）示意圖。由親水基和疏水基組成的聚合物在水溶液中會自發聚集形成親水基在外側、疏水基在內側的近似球形的結構，右圖中，藍色部分表示作為模板的微胞，白色部分表示金屬原子。將微胞與金屬離子混合形成的溶液置於導電基板上通電，使金屬析出沉積；隨後去除微胞，即可獲得具有大量孔的導電奈米多孔體。
出處：Nature Communications , 6, 6608, 2015, Springer Nature
得知該研究後，山內先生產生了新的想法：「如果能夠讓穩定的微胞規則排列，並將其作為模板，不就能夠製備奈米多孔體了嗎？」於是他首先將形成微胞的聚合物加入水中，聚合物會自然形成疏水基在內、親水基在外的微胞結構。隨後加入金屬離子，金屬離子收歛集到微胞外側的親水基附近。然後放入導電基板並通電，將電子供給到該體系中，促使金屬離子在微胞表面還原並沉積為金屬（圖2-B）。最後去除微胞，即可得到具有大量孔的導電奈米多孔體。通過調節微胞的大小，可以控制孔徑，而且該反應幾乎可在室溫下進行，金屬沉積過程通常不到1小時即可完成。
圖2 A 微胞溶液（左）以及向微胞溶液中添加金屬離子後的溶液（右）。金屬離子會被微胞表面的親水基吸引，聚集在微胞周圍。用雷射筆照射時，可以觀察到微胞顆粒使光路視覺化的丁達爾效應。
B 在加入金屬離子的微胞溶液中放入導電基板並通電後，金屬離子被還原，並在基板表面析出金屬。
最初獲得的孔結構並不理想，但經過對微胞直徑、沈降電位和沉積時間等參數的反復優化，最終於2020年成功確立了導電奈米多孔體的合成方法，並在《Nature Protocols》發表了論文。山內回顧道：「正是將材料科學與生物學這兩個完全不同領域的概念結合起來，才誕生了這種全新的材料。」
利用高熵合金實現合成
藉助機器學習選定五種元素
2020年10月，ERATO「山內物質空間構造學項目」正式啟動。該項目由名古屋大學、早稻田大學、NIMS以及澳大利亞的昆士蘭大學的研究團隊共同組成，其核心理念是：「利用所有金屬元素構建多孔體，實現導電化，並進一步拓展應用範圍。」項目目標是在原子層面控制材料組成，在奈米尺度設計結構，並建立能夠調控各種導電奈米多孔體高度集成化「混合空間」的合成平台。
該項目的重要成果之一，是成功合成出了高熵合金（HEA）的金屬奈米多孔體。高熵合金由五種以上金屬元素均勻混合而成，而過去的金屬奈米多孔體通常最多只能容納三種金屬元素。
HEA由於具備獨特的物理化學性質、卓越的耐久性以及能夠以高選擇性引發複雜反應的特性，被視為極具潛力的新型催化材料。然而，因其複雜結構，一直難以取得有用的研究成果。山內教授將鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）、釕（Ru）、銅（Cu）這五種金屬按照特定比例混合，並採用前述合成方法，成功獲得具有規則晶體結構的導電奈米多孔體（圖3）。
圖3 A～C為高熵合金導電奈米多孔體的電子顯微鏡圖像。D為採用「元素映射」技術獲得的圖像，不同顏色分別代表不同元素。由圖可確認材料中含有鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）、釕（Ru）和銅（Cu）。
出處：Nature Communications, 14, 4182,2023, Springer Nature
實驗發現，採用上述方法製備的多孔體作為電極觸媒，在氫氣生成反應中表現出優異的活性和穩定性。此外，還能夠在酸性、中性及鹼性等廣泛pH條件下保持催化性能。這些性質是以往的HEA所不具備的。一般觸媒隨著反應進行會逐漸失活，而這種多孔體即使經歷2500次催化循環，其活性幾乎沒有下降。
山內教授在篩選Pt、Pd、Rh、Ru和Cu五種元素的過程中，藉助了人工智慧（AI）的一種——機器學習的力量。他採用了由AI預測材料組合、實驗驗證結果，再將結果反饋給AI持續學習的「主動學習」方法。山內教授談到採用AI 的理由時表示：「藉助機器學習，數據重現性高，能夠更高效地發現優秀觸媒。」
不過，AI只能預測奈米多孔體表面發生的反應的活性。在產氫反應中，對於產生的氫如何高效回收氫氣，仍需研究人員自己思考。山內教授強調：「吸收AI的建議，同時設計並製造最優結構，這才是我們的工作。」
組合大小兩種孔結構
實現微塑膠檢測
山內教授還開發出一種能夠將鉑原子均勻分散於奈米多孔體表面的技術。由於催化反應僅發生在表面，因此無需將昂貴的鉑填充到材料內部。若只在表面配置鉑原子，不僅能夠保持反應性能，還能大幅削減成本。更進一步，如果讓鉑原子以單原子形式孤立分散，還能最大化其表面積，從而進一步提高反應效率。
山內教授首先製備了由價格較低的鎳（Ni）構成的奈米多孔體，然後利用「置換鍍層」反應，在其表面使鎳溶解同時使鉑沉積，最終實現超過10%的鉑原子以單原子狀態孤立分散的狀態（圖4）。山內教授自信地說道：「正因為奈米多孔體擁有極大的表面積，才得以實現這種結構。藉助這一技術，我們能夠製造出具有世界頂級活性的終極觸媒。」
圖4 將鉑原子孤立分散的金屬奈米多孔體的示意圖（左）及其電子顯微鏡圖像（右）。在電子顯微鏡圖像中，紅色圓圈標出的亮點即為單個鉑原子。
出處： Science Advances , 10, 25, 2024, AAAS
ERATO項目「將具有各種特性的導電奈米多孔體高度集成化」的成果之一，是開發出了用於檢測微塑膠的多孔體材料。微塑膠是指尺寸小於5毫米的塑膠顆粒，其中很多甚至小到數微米乃至100奈米以下，肉眼無法看到。其對海洋生態系統和人體健康的潛在影響正引發關注。山內教授通過組合兩種不同孔徑的多孔體，開發出一種低成本且簡便的微塑膠檢測技術。（圖5）
圖5 用於檢測微塑膠的奈米多孔體照片（左上）及其電子顯微鏡圖像。放大觀察左下方具有較大孔徑的多孔體表面後可以發現，其表面規則排列著更小尺寸的孔。
出處： Nature Communications , 15,4351, 2024, Springer Nature
具體方法是，採用孔徑數百微米的多孔體作為主體，在其表面覆蓋一層孔徑僅數十奈米的多孔薄膜。當微塑膠與多孔薄膜結合時，會產生特定信號。通過解析這些信號，就能夠確定微塑膠含量以及其種類。山內教授介紹說：「這是一個利用大孔捕獲物質、利用小孔進行檢測的機制。」與傳統需要逐類分離和分析微塑膠的方法相比，該技術可降低90%以上成本，並有望擴展至其他多種物質的感測檢測領域。
以全合成理念重塑無機化學
讓無機化學變得更加優雅
ERATO項目期間，人才交流活躍也是一項重要成果。山內教授也是澳大利亞昆士蘭大學的教授，他不僅為名古屋大學的學生提供了在昆士蘭大學聽課並接觸最先進實驗設備的機會，還聘請了昆士蘭大學的研究人員擔任名古屋大學的專職教師。參與ERATO項目的研究人員如今活躍於世界各地的大學任教，為推動國際化做出了貢獻。
對於引領導電納米多孔體研究的山內教授而言，最大的動力之一來自於「把無機化學打造成一門更加高雅的學問」這一願望。在有機化學中，存在一種從單個分子出發，經過多個步驟合成出複雜分子的「全合成」理念。山內教授希望，在無機化學領域同樣能夠建立類似體系，「通過控制原子、藉助AI設計組成、規劃空間結構、最終轉化為材料與物質，形成一套可以稱之為‘無機全合成’的完整流程」。未來，他將繼續致力於導電性奈米多孔體的研究。
（TEXT：島田祥輔、PHOTO：水野由佳）
日文：JSTnews 2026年6月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
