2025年ノーベル化学賞

金属有機構造体（MOF）と空間を設計する化学

2025年ノーベル化学賞は、分子を「作る」だけでなく、分子の並び方によって内部空間を持つ結晶を「設計する」化学を確立した点を讃えるものである。金属有機構造体（metal–organic frameworks; MOF）は、吸着・分離・貯蔵・触媒などで「空間そのもの」を機能として使える材料群である。

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参考ドキュメント

Nobel Prize in Chemistry 2025: Press release, NobelPrize.org
Scientific Background to the Nobel Prize in Chemistry 2025: Metal–Organic Frameworks (PDF), NobelPrize.org
Science Portal（JST）「ノーベル化学賞に京大・北川氏ら3氏気体を貯蔵できる金属有機構造体『MOF』を開発」

1. 受賞の概要

1.1 受賞者と授賞理由

北川進（京都大学）
Richard Robson（University of Melbourne）
Omar M. Yaghi（University of California, Berkeley）

授賞理由は「金属有機構造体（MOF）の開発」である。

1.2 何が新しかったのか

焦点は、分子を離散的に合成する化学の延長ではなく、金属イオン（あるいは金属クラスター）と有機配位子を自己組織化させ、結晶中に大きな空隙（cavity）を恒久的に内包する「分子アーキテクチャ」を作り出した点にある。MOFの特徴は次の三点に要約できる。

結晶である：原子配置が規則的で、構造と物性を結びつけやすい
多孔体である：気体や分子が内部に出入りでき、吸着・分離が可能である
設計自由度が高い：金属種、配位子、トポロジー、官能基、欠陥などを変数として扱える

2. MOFの基本：ノードとリンカーから空隙が生まれる

2.1 構成要素

MOFは、概念的には「ノード（節点）」と「リンカー（連結子）」からなる。

ノード：金属イオン M、または金属酸化物クラスター（secondary building unit; SBU）
リンカー：多座配位子 L（カルボキシラート、イミダゾラート、ピリジルなど）

単純化すると、ネットワークとして

M + L \to (M – L)_{\infty}

のような無限配位高分子である。重要なのは、生成物が単なる高分子ではなく、空隙を保った結晶格子として安定化されることである。

2.2 代表的な構造イメージ

「角」として働く金属（あるいはSBU）を、有機リンカーが梁のようにつなぐ
その結果、格子の中に“部屋”が形成され、分子が出入りできる

この「部屋のサイズ」「入口のサイズ」「内壁の化学性」が、吸着・分離・触媒に直結する。

2.3 MOFと関連概念

用語は文脈で揺れるため、関連用語の定義を示す。

用語	大まかな意味	コメント
配位高分子（coordination polymer）	金属と配位子が無限に連結した構造	空隙がなくても該当する
多孔性配位高分子（PCP）	配位高分子のうち多孔性を示すもの	日本発の文脈でよく使われる
MOF	多孔性を持つ配位ネットワーク材料の総称	実質的にPCPと大きく重なる

3. 「設計できる多孔体」を支える考え方

3.1 形を作る指針：トポロジー（ネットワーク）という言語

MOFの設計では、分子の詳細だけでなく、結晶をネットワークとして抽象化する発想が効く。ノードの結合数（connectivity）とリンカーの幾何によって、得られるネット（網目）がある程度予測可能になる。

低次元（1D/2D）にならないように、連結数と立体配置を調整する
自由度の高い配位子は多形を生みやすく、狙いのネットに収束しにくいことがある
逆に、剛直な配位子やSBUは、再現性よく同じネットを与える傾向がある

3.2 欠陥と柔軟性：理想結晶からのずれが機能になる

MOFは「完全な結晶」だけで勝負していない。欠陥（missing linker / missing node）や、骨格の呼吸（flexibility）、ゲスト分子誘起の構造変化が機能を増幅する場合がある。

欠陥：吸着サイトや拡散経路を生む
柔軟性：圧力や吸着に応じた開閉（ゲーティング）を生む
官能基：内壁の極性や酸塩基性を変える

ただし、欠陥や柔軟性は安定性と表裏であるため、設計変数として扱う意識が必要である。

4. 物性の中核：吸着・分離をどう記述するか

MOFが「空間を使う材料」である以上、気体や溶媒分子の統計的な振る舞いが中心になる。

4.1 吸着等温線の基本式

低圧極限の吸着はヘンリー則で近似される。

n (p) \approx K_{H} p (p \to 0)

ここで $n$ は吸着量、 $p$ は圧力、 $K_{H}$ はヘンリー定数である。材料間比較や、分離の第一近似に有用である。

単一サイトの飽和を含むモデルとして、ラングミュア式がある。

n (p) = n_{sat} \frac{b p}{1 + b p}

$n_{sat}$ は飽和吸着量、 $b$ は親和性を表すパラメータである。

4.2 表面積評価とBET

多孔体の評価では比表面積が頻出であり、BET式が参照される。

\frac{p}{n (p_{0} - p)} = \frac{1}{n_{m} C} + \frac{C - 1}{n_{m} C} \frac{p}{p_{0}}

$p_{0}$ は飽和蒸気圧、 $n_{m}$ は単分子層吸着量、 $C$ は吸着エネルギーに関係する定数である。 BETは便利である一方、微孔材料では適用範囲の扱いが難しくなるため、式の前提（多層吸着など）を意識した読み方が要る。

4.3 分離性能の表現：選択性

混合気体の分離を定量化する最も素朴な指標は選択性である。

S_{A / B} = \frac{x_{A} / x_{B}}{y_{A} / y_{B}}

$y$ はバルク（供給側）のモル分率、 $x$ は吸着相（内部）のモル分率である。吸着サイトの化学性と細孔サイズが直接効く。

5. 多孔性材料の中でのMOFの位置づけ

MOFは既存の多孔体を置き換えるというより、設計自由度の高さで新しい探索空間を開いた材料群である。

材料カテゴリ	構造の規則性	孔径の制御性	化学修飾の自由度	一般的な強み	注意すべき点
ゼオライト	高い	高い	低〜中	高耐熱・工業実績	組成・骨格の選択肢が限定的
活性炭	低い	中	低	安価・大量生産	構造解析と設計が難しい
メソポーラスシリカ	中	中〜高	中	孔径制御がしやすい	化学的な吸着サイト設計は限定的
MOF	高い	高い	高い	設計自由度が非常に高い	水・熱・機械強度は系により差が大きい

6. 応用：なぜ社会課題と結びつくのか

発表資料では、MOFが気体や分子の流入出を許す「部屋」を持つことが強調され、以下の用途が例示されている。

6.1 水の回収（低湿度からの吸着）

水分子は極性が強く、内壁の官能基・金属サイト・孔径分布に敏感である。乾燥地での夜間吸着・日中放出のように、吸着熱と拡散の設計が重要になる。

6.2 二酸化炭素の回収（排ガス・大気）

CO2は四極子モーメントを持ち、極性サイトやアミン様官能基、開放金属サイトで選択的に捕捉されることがある。単に吸着量を増やすだけではなく、再生エネルギー（脱着の容易さ）とのバランスが焦点になる。

6.3 水素の貯蔵

H2は小さく相互作用が弱いため、低温での物理吸着や高比表面積の活用が議論される。孔径最適化や軽元素骨格の設計が主要テーマになる。

6.4 有害ガスの捕捉、触媒反応場としての利用

内部空間は、反応物の濃縮・配向・拡散制御を同時に扱える「反応場」として働く。さらに、金属サイトや官能基を触媒点として埋め込める。

7. 合成と材料化：機能に到達するまでの要素

7.1 合成（自己組織化）の特徴

MOF合成は、配位結合の可逆性を利用して結晶性を獲得することが多い。代表的には溶媒熱条件などで結晶を育て、生成後に溶媒を置換・除去（活性化）して孔を開く。

7.2 安定性の論点

MOFは系ごとの差が大きい。たとえば、Zr系や一部のZIF系は水や熱に強い一方、金属–配位子結合が加水分解されやすい系もある。耐久性は、結合の強さだけでなく、骨格の疎水性、欠陥密度、粒子形態にも依存する。

7.3 形状付与（粉末から部材へ）

粉末結晶として優れていても、膜・ペレット・複合化などの形状付与で性能が変わり得る。吸着速度、圧損、熱輸送、機械強度は、結晶内部の性能とは別軸の要因として現れる。

8. データサイエンスとの接点

MOFは結晶構造が明確で、組成・構造・物性の対応付けがしやすい。そのため「構造記述子 → 物性予測 → 探索」という流れが組みやすい材料群である。

8.1 代表的なデータ表現

結晶構造（CIF）からの幾何特徴：孔径分布、accessible volume、比表面積、密度
化学特徴：金属種、官能基、極性、部分電荷
トポロジー：ネットワークの種類、連結数、SBU分類

8.2 計算との役割分担

DFT：局所サイトの相互作用、電荷移動、反応障壁の評価
分子シミュレーション（GCMC/MD）：吸着等温線、拡散、混合系分離の推定
機械学習：膨大な候補構造のスクリーニング、逆設計候補の生成

ここで重要なのは「予測値」を出すこと自体より、設計変数（孔径、官能基、金属サイトなど）が性能にどう効くかを説明可能な形で接続することである。

9. 受賞研究の歴史的意味

年代	進展（概略）	意味
1980年代末	3D配位ネットワークの設計思想が提示される	配位化学に「構造設計」の視点が強く入る
1990年代	多孔性配位高分子（PCP）の体系化が進む	吸着・可逆なゲスト取り込みが研究の核になる
2000年代以降	“MOF”という枠組みが一般化し設計空間が拡大	分離・貯蔵・触媒・水回収などへ展開する

まとめ

2025年ノーベル化学賞は、金属と有機分子を組み合わせて結晶内に機能空間を作り込むMOFの確立を通じ、化学を「分子の合成」から「空間の設計」へ拡張した点を評価したものである。MOFは設計自由度の高さゆえに、吸着・分離・貯蔵・触媒など多方面に広がる一方、安定性や材料化の要素も含めて性能が決まるため、構造・化学・統計熱力学を一体として扱う視点が今後も重要である。

基礎

各手法の原理

2025年ノーベル化学賞

参考ドキュメント

1. 受賞の概要

1.1 受賞者と授賞理由

1.2 何が新しかったのか

2. MOFの基本：ノードとリンカーから空隙が生まれる

2.1 構成要素

2.2 代表的な構造イメージ

2.3 MOFと関連概念

3. 「設計できる多孔体」を支える考え方

3.1 形を作る指針：トポロジー（ネットワーク）という言語

3.2 欠陥と柔軟性：理想結晶からのずれが機能になる

4. 物性の中核：吸着・分離をどう記述するか

4.1 吸着等温線の基本式

4.2 表面積評価とBET

4.3 分離性能の表現：選択性

5. 多孔性材料の中でのMOFの位置づけ

6. 応用：なぜ社会課題と結びつくのか

6.1 水の回収（低湿度からの吸着）

6.2 二酸化炭素の回収（排ガス・大気）

6.3 水素の貯蔵

6.4 有害ガスの捕捉、触媒反応場としての利用

7. 合成と材料化：機能に到達するまでの要素

7.1 合成（自己組織化）の特徴

7.2 安定性の論点

7.3 形状付与（粉末から部材へ）

8. データサイエンスとの接点

8.1 代表的なデータ表現

8.2 計算との役割分担

9. 受賞研究の歴史的意味

関連研究

まとめ

2025年ノーベル化学賞 ​

参考ドキュメント ​

1. 受賞の概要 ​

1.1 受賞者と授賞理由 ​

1.2 何が新しかったのか ​

2. MOFの基本：ノードとリンカーから空隙が生まれる ​

2.1 構成要素 ​

2.2 代表的な構造イメージ ​

2.3 MOFと関連概念 ​

3. 「設計できる多孔体」を支える考え方 ​

3.1 形を作る指針：トポロジー（ネットワーク）という言語 ​

3.2 欠陥と柔軟性：理想結晶からのずれが機能になる ​

4. 物性の中核：吸着・分離をどう記述するか ​

4.1 吸着等温線の基本式 ​

4.2 表面積評価とBET ​

4.3 分離性能の表現：選択性 ​

5. 多孔性材料の中でのMOFの位置づけ ​

6. 応用：なぜ社会課題と結びつくのか ​

6.1 水の回収（低湿度からの吸着） ​

6.2 二酸化炭素の回収（排ガス・大気） ​

6.3 水素の貯蔵 ​

6.4 有害ガスの捕捉、触媒反応場としての利用 ​

7. 合成と材料化：機能に到達するまでの要素 ​

7.1 合成（自己組織化）の特徴 ​

7.2 安定性の論点 ​

7.3 形状付与（粉末から部材へ） ​

8. データサイエンスとの接点 ​

8.1 代表的なデータ表現 ​

8.2 計算との役割分担 ​

9. 受賞研究の歴史的意味 ​

関連研究 ​

まとめ ​

2025年ノーベル化学賞

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1. 受賞の概要

1.1 受賞者と授賞理由

1.2 何が新しかったのか

2. MOFの基本：ノードとリンカーから空隙が生まれる

2.1 構成要素

2.2 代表的な構造イメージ

2.3 MOFと関連概念

3. 「設計できる多孔体」を支える考え方

3.1 形を作る指針：トポロジー（ネットワーク）という言語

3.2 欠陥と柔軟性：理想結晶からのずれが機能になる

4. 物性の中核：吸着・分離をどう記述するか

4.1 吸着等温線の基本式

4.2 表面積評価とBET

4.3 分離性能の表現：選択性

5. 多孔性材料の中でのMOFの位置づけ

6. 応用：なぜ社会課題と結びつくのか

6.1 水の回収（低湿度からの吸着）

6.2 二酸化炭素の回収（排ガス・大気）

6.3 水素の貯蔵

6.4 有害ガスの捕捉、触媒反応場としての利用

7. 合成と材料化：機能に到達するまでの要素

7.1 合成（自己組織化）の特徴

7.2 安定性の論点

7.3 形状付与（粉末から部材へ）

8. データサイエンスとの接点

8.1 代表的なデータ表現

8.2 計算との役割分担

9. 受賞研究の歴史的意味

関連研究

まとめ