卒業研究のご紹介
2019年版

化学・バイオ・栄養系

アパタイト型物質のフォトクロミズムとマグネシウム置換の影響

古屋 洸平静岡県
工学部応用化学科 2019年3月卒業
静岡県立伊豆中央高等学校出身

研究の目的

アパタイトは鉱物の一種で、多様な化学組成をもつことができます。さらに化学組成を調整して人工的に合成することができます。化学組成によってさまざまな特徴的な性質を示し、多様な用途が期待されています。例えば人工骨の原料になり、大きく結晶化させれば宝石になり、また燃料電池の部材としての応用が検討されていたりします。昨年、竹本研究室で重要な発見がありました。それは、ある化学組成のアパタイトが紫外線やX線を当てると、オレンジ色に着色し、加熱すると脱色して元の白色に色が戻るという現象です。この光の作用によって着色する現象のことを「フォトクロミズム」といいます。アパタイトにおけるこのフォトクロミズムの再現性の確認と、なぜアパタイトがフォトクロミズムを示すのか、この研究ではそれらの謎に迫りました。

X線の照射によって着色したアパタイト型物質

研究内容や成果等

■ 実験方法

予備的な実験を繰り返し、アパタイト型物質のある特定の元素をマグネシウムで置き換えるとフォトクロミズム特性に変化を生じさせることができるとの感触が得られ、本格的にマグネシウム置換の影響を調べることにしました。試料はゾル-ゲル法で合成しました。マグネシウムイオンなど種々の金属イオンを含む水溶液とオルトケイ酸エチルを混合し、反応させることによってゾル状の液体が得られ、これを加熱してさらに反応を進めることによってゲル化させました。最終的に高温で加熱して有機成分を除去、さらに反応させて目的組成の資料を合成しました。

■ 結果

研究成果の公表を控えており、詳細は明らかにできませんが、概ね次のような結果が得られました。
得られた試料に紫外線やX線を照射したところ、いずれも白色からオレンジ色への変化が観察されました。昨年に引き続き同様の結果が得られたことから、このフォトクロミズムは再現性のある現象であることが確認されました。これまで青色やピンク色のフォトクロミズムを示すアパタイトは知られていましたが、オレンジ色への着色が発見されたのはおそらく世界で初めてではないかと思います。
マグネシウムで置換するとある量まではフォトクロミズムによる着色の強度が増大し、その量を超えると逆に減少するという結果が得られました。そもそもフォトクロミズムによる着色は永続的なものではなく、室温で放置していると自然に脱色していくのが普通です。本研究で合成したアパタイト型物質も同じですが、マグネシウムで置換することによって、自然脱色の速度が速まることが分かりました。つまり、マグネシウム置換によってフォトクロミズムは増強されますが、自然脱色の速度も速まるため、両者の釣り合いによって、ある量のマグネシウム置換量で着色強度が最大となると結論付けました。
紫外線やX線は有害なものですが、目に見えません。このようなフォトクロミズムを示す物質を使えば色が変わり、紫外線やX線の存在を可視化することができます。アパタイト型物質は比較的安定な物質なので、このようなセンサーへの応用も期待されます。
指導教員からのコメント 教授 竹本 稔
紫外線は例えば食品などの殺菌に、X線はレントゲン写真や手荷物検査などに使われ、いずれも私たちの暮らしや社会の安全と安心のために使われています。ところがいずれも人体に有害であり、しかも人間の目には見えません。そのままでは人間は危険を察知することができないわけです。フォトクロミズムを示す物質を使えば、色の変化によって紫外線やX線を検出できるので、このような物質はセンサーとしての応用が期待されます。着色した状態は加熱によって脱色された状態に戻せるので、何度でも繰り返し使えるセンサーを作ることができます。
フォトクロミズムを示す物質には他にも用途が考えられ、そのことは47ページに掲載の下杉君の研究のところで記しています。ぜひ読んでみてください。
卒業研究学生からの一言 古屋 洸平
高校で全く勉学に励んでこなかったために化学の知識がほとんどない状態で本学に入学してしまいました。ですが、基礎から丁寧に教えてもらえたおかげで、どうにか高校の分をカバーすることができ、また、化学をより深く学ぶことができました。
研究活動については、今までに前例のない研究をしていくうえで、試行錯誤していかなければならないという難しさを感じましたが、その分新たな発見も多くあったので私の中ではとても充実した研究活動ができたと思いました。