新しい分子が人工光合成を現実に近づける

自然光合成の置き換え

直接的であれ間接的であれ、私たちが使用するエネルギーの大部分は光合成によって生成されています。

これはもちろん、私たちの体を動かすカロリーにも当てはまりますが、最終的には何億年も前に死んだ植物からの「蓄えられた」光合成である化石燃料にも当てはまります。

そのため、エネルギーと食料システムをより環境に優しくしようとする多くの取り組みは、自然光合成の改善、あるいは藻類からバイオ燃料を作るなどの新たな用途への活用に注がれています。

それを大規模に構築することは、大気中の上昇するCO2濃度を抑制する上で重要になる可能性があります。

しかし、もし生物を扱わずに光合成プロセスを模倣できたらどうでしょうか？結局のところ、光合成は必ずしも生細胞を必要としない電気化学的プロセスです。これがいわゆる「人工光合成」の約束です。

それは、太陽光から電気を「作る」だけで化学反応に直接関与できない太陽電池（フォトボルタイク）を超えて、太陽エネルギーを捕捉する能力を一段階向上させます。

いくつかの進展が見られ、光合成に似た水素生成への取り組みが特に顕著ですが、より近い再現にはさらなる作業が必要です。

自然界における光合成の仕組み

植物において、光合成は大まかに言えば最も単純な形です。CO2と水を取り込み、光をエネルギー源として利用し、炭水化物と酸素を生成するプロセスです。

出典: Britannica

一見すると、これは非常に単純な化学式に還元でき、人工的に容易に再現できそうに思えます。

出典: Britannica

実際のプロセスを見ると、話は別です。

植物の光合成は実際には最も複雑な生化学機構の一つであり、数十の中間反応、無数のサブコンポーネント、そして時に十分に解明されていない電子移動を伴う分子メカニズムが存在します。

ブリタニカ百科事典におけるこのトピックの合成的説明は1万語にも及びます。

それを研究する科学者は、光合成の概要を把握するだけでも、かなり複雑な概略図に取り組まなければなりません:

出典: Lumen Learning

自然界では主に炭水化物を作るために利用されますが、理論的には光をエネルギー源として、水から水素を合成する（光触媒）など、他の多くの応用にも利用できる可能性があります。

光誘起の電子・イオン移動の類似プロセスは、人工的に糖を作るためにも利用できます。これはスイス・バーゼル大学の3人の科学者が取り組んでいるアイデアです。彼らは最近、Nature Chemistry¹において、人工光合成に利用できる新しい分子に関する結果を発表しました。そのタイトルは「分子化合物における光誘起二重電荷蓄積」です。

人工クロロフィルの構築

多電荷分子

自然光合成は一連の電気化学反応に依存しています。その結果、いわゆる電荷分離状態（CSS）が必要で、分子は同時に正電荷と負電荷を保持します。

重要なのは、燃料生成反応には1つだけでなく複数の電子が必要であり、これまで人工光合成システムが達成できた最高のものは1つの電子でした。

特にCO2還元においては、多電子転移が不可欠であるように見えます。これが、これまでの人工光合成ソリューションが主に水素生成に焦点を当ててきた理由です。

ここでスイスの研究者による発見が状況を変えます。光照射下で同時に4つの電荷（正電荷2つ、負電荷2つ）を生成・蓄積できる特殊な分子が作られました。

出典: Nature

どのように機能するか

この分子は光に感受性のある中心部を持ち、光に応じて電子移動を生成します。研究者は2回の光フラッシュを用いた順次アプローチを取りました。

最初の光フラッシュが分子に当たると、正電荷と負電荷が生成され、分子の反対側へ移動する反応が引き起こされます。

2回目の光フラッシュでも同様の反応が起こり、分子は2つの正電荷と2つの負電荷を保持します。

出典: Nature

光感度の向上

光を2段階で使用するこの順次ステップは、分子の両端に二重電荷を蓄積するだけでなく、各ステップに必要なエネルギーを削減し、従来より低い光強度でも機能できるようにする点で重要です。

出典: Nature

“結果として、私たちはすでに太陽光の強度に近づいています。

以前の研究では極めて強力なレーザー光が必要で、人工光合成のビジョンとは程遠いものでした。

Mathis Brändlin – バーゼル大学の博士課程学生

この分子が重要な前進ステップである理由

この新しい分子のもう一つの特長は、電荷を十分に長時間保持でき、さらなる化学反応を駆動するのに利用できる点で、完全な人工光合成システムに必須です。

“私たちはパズルの重要なピースを特定し、実装しました。

これが持続可能なエネルギー未来への新たな展望に貢献できることを期待しています。

教授 Oliver Wenger – バーゼル大学

120マイクロ秒の電荷保持（従来より千倍から百万倍優れ）で、理想的には秒単位が望ましいものの、化学反応には十分です。

したがって、過去の実験で試された単一電荷、あるいは単一タイプの電荷を持つ光感受性分子と比較すると、これまでで最も有望な人工光合成開発用分子です。

設計のさらなる調整により、自然光強度での動作や電荷保持時間のさらなる延長が可能になるでしょう。

人工光合成プロセスでまだ設計されていないもう一つの重要な要素は、高エネルギー励起状態を持つ色素と、水分解やCO2還元に十分な酸化還元力を提供できる適切な触媒です。

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持続可能なイノベーションへの投資

DuPont

DuPontは、Kevlar、Styrofoam、Nomex（耐火）、Great Stuff（建築用接着剤）などの多くの重要なブランド化学品を擁する大手化学企業です。その先進的な高分子研究と保護材料ブランドは、二重ネットワークメタマテリアル技術から利益を得る可能性があります。

DuPontは、複雑な買収歴史を持つ古い企業で、近年は一連のスピンオフを行っています。

出典: DuPont

これらのスピンオフにより、DuPontから栄養とバイオサイエンス部門が分離され、部分的にCorteva Biosciences（CTVA -0.95%）に売却され、チタン製品はChemours Company（CC -1.05%）を形成し、モビリティ部門も分離されました。

2025年11月に電子化学事業部門も分離する予定です、しかし水部門（浄水・脱塩用膜とフィルター）は保持され、以前の計画とは異なります。

出典: DuPont

これにより、DuPontは水浄化と保護装置用の先進高分子、さらに航空宇宙、医療、電気自動車向けの先進材料に注力する、より焦点を絞った企業となります。

出典: DuPont

DuPontは真に国際的な企業であり、水浄化や産業製造における特殊化学品の需要が高いです。

DuPontの化学品が供給されるセクターは多岐にわたり、建設、水浄化、電子産業、自動車、航空宇宙、医療、グリーンエネルギー、産業生産などが含まれます。

出典: DuPont

人工光合成に関して、同社は特にペン大学との学術提携を通じて技術開発に取り組んでいます。

「この共同研究の目標は、広く適用可能な計算プロトコルを開発し…水を効率的に水素と酸素に分解できる光活性材料の選定を加速することです。」

保護装備におけるDuPontの強固な存在感と、高性能ポリマーであるKevlarブランドの確立された地位は、メタマテリアルの新形態を商用製品に適応させるのに役立つでしょう。また、グリーンエネルギー分野での存在は、最終的な人工光合成商業プロセス向けの化学品の商業化を促進するはずです。

いずれにせよ、新技術や水消費が増大するにつれ、DuPontが生産する先進化学品の需要も増加しています。

最新の Dupont (DD) 株式ニュースと動向

参照された研究

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}