生命・材料・化学工学

ペットボトルやレジ袋、服のポリエステル、ナイロンの糸は、小さな分子を何千もつないだ長い鎖の分子(高分子)でできています。鎖の長さや並び方を変えると、硬さや透明さ、熱への強さが変わります。高分子化学は、これを設計して新しい素材を作る分野です。

使い終わったプラスチックをどうするかも、化学の大きな課題です。プラスチック循環利用協会によると、2024 年に日本で出た廃プラスチックは 911 万トンでした。その 89% が有効に利用されています。ただ内訳をみると、製品に戻すマテリアルリサイクルは 20%、化学原料に戻すケミカルリサイクルは 2% です。燃やして熱や電気を回収する方法が、約 3 分の 2 を占めています。

プラスチックを分子のレベルまで分解し、新品と同じ品質の原料に戻すケミカルリサイクルは、化学の力が試される分野です。種類の違うプラスチックが混ざったごみを効率よく分ける技術や、使い終わったら分解しやすい高分子の研究も進んでいます。

生化学は、体の中の分子と反応を化学の目で調べる分野です。応用化学では、酵素やたんぱく質を、薬や検査、ものづくりの道具として使う研究も進んでいます。

名古屋大学で有機化学を学んだ下村脩さんは、1961 年、光るクラゲ(オワンクラゲ)の研究を始めました。場所は、アメリカ西海岸のフライデーハーバーです。1962 年、光るたんぱく質を取り出す途中で、もう 1 つのたんぱく質に気づきます。紫外線を当てると緑に光る GFP(緑色蛍光たんぱく質) です。

下村さんたちは 1961 年から 1988 年までに、研究のために約 85 万匹のクラゲを集めました。いまでは GFP を目印として別のたんぱく質につなぎ、脳の神経の細胞が育つ様子や、がん細胞が広がる様子を観察できます。下村さんは 2008 年、ほかの 2 人とともにノーベル化学賞を受けました。

空気の約 8 割は窒素ですが、植物はそのままでは窒素を栄養にできません。20 世紀の初め、ドイツのハーバーは、窒素と水素から触媒を使ってアンモニアを作る方法を開発しました。アンモニアは化学肥料の原料になります。ハーバーは 1918 年のノーベル化学賞を受けています。

この方法のかなめは、温度・圧力・気体の流れる速さを整えた装置に、窒素と水素を通すことです。工場で大量に作るには、高い圧力に耐える大きな反応装置が必要でした。反応・熱の出入り・物の流れを組み合わせて、安全で無駄のない工場を設計するのが化学工学です。

装置を大きくすると、熱がこもりやすくなるなど、フラスコでは起きなかった問題が出てきます。反応の速さや熱の伝わり方、液体を沸点の差で分ける蒸留などを式で表します。問題を前もって予測して防ぐのが、化学工学の技術者の大切な役目です。