テーマの一つがスーパーキャパシタ。キャパシタとは電気エネルギーを蓄積するデバイス（簡単な構造の装置・部品）のことで、従来のリチウムイオン電池に比べ、急速に電力を放出することができ、電気自動車・ハイブリッド車・携帯電話・ノート型パソコンなどへの搭載が期待されている。
だが、急速充放電が可能でも蓄電容量を大きくすることがハードルで、全世界の大学・企業が、この点を克服することを目指して開発競争を繰り広げている。
「短距離走者を、そのスピードはできる限り残したまま中距離走者に育てるようなもの。しかも、エネルギーを急速充填できる走者にしなくちゃならないのです」と杉本准教授は話す。
杉本准教授のアイデアは、電池の反応とキャパシタの反応の両方を使うハイブリッドキャパシタとも言うべきもの。世界でも例のない新しいハイブリッドに挑戦している。カギを握るのが、電極に使用する酸化ルチニウムナノシート。原子数個分の厚さしかない、究極に薄い２次元の材料だ。これを積み上げることで様々な機能が生まれるが、特に、キャパシタの容量を大きくすることに最適だという。
形状や空間を制御したナノ材料合成技術を駆使して、自動車用燃料電池の開発も進める。これが二つ目のテーマ。燃料電池は、水の電気分解の逆の発想で、水素と酸素の化学反応から水と電気を取り出すもの。発電効率の高さ、環境負荷の少なさ、携帯性などで、新エネルギーの旗手と目されている。
だが、現在、開発・実用化が進む燃料電池は、触媒に希少金属の白金（プラチナ）が大量に使用されており、価格面でも、また希少金属の確保の面でも、低白金化、脱白金化が求められている。杉本研究室では、材料化学の基礎研究を活かし、白金に代わるナノ材料の開発も進めているのだ。

燃料電池用白金ナノ触媒の拡大写真

「現在の電気自動車は街乗りしかできません。車に搭載される電池の容量が小さいからです。これをせめて一回の充電で東京―大阪間を走れるようにする。それが当面の目標です」。手嶋教授はこう話す。
現在、日産自動車や三菱自動車ではリチウムイオン電池が、トヨタ自動車ではニッケル水素電池が使用されている。どちらの場合も、液体電解質の中で、正極と負極の間をイオン（および電子）が動く性質を利用したものだ。この電池の容量を大きくするためには、電池自体を大きくする方法があるが、液漏れや発火などの危険も大きくなり、なにより電池の大きさが車の重量や形を左右しかねないので、不適当だ。
手嶋研究室では、この難問を、電解質も、正極も、負極もすべて結晶（固体）でできた電池にすることで解決しようとしている。問題は、液体はイオンが通り易いが、結晶の場合には、特に電極と電解質の接点面（界面）がきわめて良好でないとイオンが通りにくくなること。この問題を、工学部の大石修治教授が開発した世界に誇るフラックス法（※）を用いて、電極（あるいは固体電解質）の上に直接自分で結晶を成長させることで解決した。現在，電池動作を確認できており，最終的に従来の電池の７倍以上の容量をめざしている。
この研究は画期的なもので、手嶋教授代表のもと、2011年に新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクトに採択、トヨタ自動車などと共に共同研究を進めている。まさに夢の自動車を、明日の現実にする研究だ。
他に、太陽光で水を分解し水素を製造する可視光応答光触媒の研究も進めている。
手嶋教授は、左欄の杉本准教授とともに10名の信大の若手研究者で「信大AGENDA」と呼ばれる学部横断的プロジェクトを数年前に結成し、次世代グリーンエネルギー創成のための研究を進めてきた。その成果を踏まえて、さらに大きな学部横断的なグリーンイノベーション研究を目指す。

全結晶型リチウムイオン電池の概念図

光合成で水素や石油を生成する人工光合成生物を生み出す研究が農学部で進んでいる。応用生命科学科の伊原正喜有期雇用助教に、その仕組みと進展状況を聞いた。
植物の光合成を利用してエネルギーを自由に取り出したい―そんな夢のような構想を現実化させるために地道に研究を続けている。
「近年は、とても注目されている領域ですが、ブームになる前から、着実に研究に取り組んでいる研究者は、実は数少ないのです。実用化にはまだまだ長い道のりがあります」と伊原助教。単に夢を語り、思い付きで研究に乗り出しても長続きはしない。遺伝子工学、タンパク質工学、構造生物学など、いくつもの専門領域にまたがる広い知識と経験が必要だ。 伊原助教の手法は、光合成をつかさどるタンパク質を改変して、水素や石油（炭化水素合成物）あるいは水素貯蔵物質として注目されている蟻酸を合成する新しい光合成生物を作る。そのために、タンパク質の設計図であるＤＮＡ、つまり遺伝子を組み換えるというものだ。
既に、水素を合成するヒドロゲナーゼという酵素を、藻の一種であるシアノバクテリアから取り出した光合成をつかさどる光化学系のタンパク質に組み込むことに成功しているという。 シアノバクテリアは、かつて生まれたばかりの地球が二酸化炭素に満ちていた頃、二酸化炭素を吸収し酸素を生成することで大きな役割を果たした。その光合成をつかさどるタンパク質が、地球環境破壊が進む現代において、新たなエネルギーの生成に利用されるというのも興味深い話だ。
だが、実用化への道は険しい。ヒドロゲナーゼは活性が失われることが多く、太陽電池などに比べて効率性にまだまだ疑問が出されている。石油や蟻酸の生成は依然として不安定だ。
始動した信州グリーンイノベーション研究会は、こうした若手研究者の意欲的試みの背中を押す。様々な領域の研究者が学部を越えて連携・共同する時、困難を切り開くアイデアと熱意が生まれてくるだろう。

シアノバクテリアから取り出した光合成をつかさどる光化学系のタンパク質

「私の専門は有機化学で、その学理的研究が基本です。グリーンイノベーションが前提にあったわけではないですが、この研究会を通じてシーズの発信や他の先生方との連携ができたらと考えています」と理学部化学科の太田哲准教授は話す。
有機分子を設計し合成する方法とその機能を研究する。その点では左欄の伊原助教の研究と共通するが、伊原助教の研究が光合成を改変して水素や石油を合成するという応用に向けた研究であることに対して、太田准教授の研究は、様々な応用につながる可能性を秘めた、その基盤となりうる新しい有機分子の創成に関わる基礎研究だ。 例えば、「分子ピンセット」。特定の有機分子が光や酸化・還元という刺激を受けて、まるでピンセットのように他の分子や金属イオンをつかんだり放したりする。そうした機械のような働きをする有機分子の設計と合成を研究している。
今は、開発した分子ピンセットの基本的な性能を調べている段階で、つかむ対象は簡単な分子やイオンです。今後、これをベースとして分子をうまくデザインすれば、例えば有害な物質を取り除いたり、有用な物質を集めたりすることも可能になるかもしれません」と太田准教授。現在、酸化・還元という条件変化で動く分子に焦点を当てているが、それも「酸化・還元で形を変える分子はあまりないので、自分で設計し合成する必要があった」と、動機は基礎研究の充実であったことを強調する。「理学部の教員は、ものの仕組みを解き明かすことに関心を持っている人が多い。その成果がすぐにイノベーションにつながるケースは少ないかもしれませんが、それなしではイノベーションは不可能です。基礎研究と応用研究の連携が、信大が大学として取り組む強みになると思います」と力を込めた。

分子ピンセットのイメージ図