本稿は、掲載論文に基づき生成AIを用いて要約・表現を作成しています。内容の正確性には配慮していますが、解釈や表現の過程で不正確な記載が含まれる可能性があります。特に構造式については不正確です。正式な情報は原論文をご確認ください。

Scale-up potential of laser-driven chemical processes: A case study on hydrogen production using a femtosecond laser – ScienceDirect

Chemical Engineering Science

1. イントロダクション：触媒もCO2も不要な、究極の水素製造への挑戦

脱炭素社会の実現に向け、次世代エネルギーの旗手として期待される水素。しかし、その製造プロセスには依然として高いハードルが存在します。現在主流の電解法は高価な触媒を必要とし、システム自体も複雑です。さらに、海水を原料とする場合には、有害な塩素ガス（Cl2）の発生という環境・設備上の課題が常に影を落としてきました。

こうした課題を根底から覆す可能性を秘めているのが、フェムト秒レーザーを用いた水素製造技術（LDCP：Laser-driven chemical process）です。この技術は、超短パルスレーザーを水に照射することで引き起こされる「多光子電離」を利用し、触媒を一切介さずに水を直接分解します。特筆すべきは、海水を直接の原料としてもCO2だけでなく塩素ガスすら排出しないという、究極のクリーン性です。

長らく「実験室レベルの現象」と考えられてきたこのLDCPですが、最新の研究（Kuwahara et al., 2026）により、産業利用に向けた「スケールアップ（大規模化）」への具体的な道筋が示されました。その鍵を握るのは、光を「点」ではなく「糸」として操る独自の制御技術にあります。

2. 驚きの事実：単にパワーを上げても水素は増えない？「プラズマ遮蔽」の壁

技術のスケールアップを考える際、「レーザーの出力を上げれば、それだけ多くの水素が生まれる」という直感的な期待を抱きがちです。しかし、物理学の現実はそう単純ではありません。LDCPの前に立ちはだかる最大の障壁、それが「プラズマ遮蔽（Plasma Shielding）」です。

レーザーのパルスエネルギーを過度に高めると、照射ポイントで激しい反応が起きる一方で、先行するパルスが水中に「衝撃波（shock waves）」や「キャビテーション気泡」を発生させます。これらが物理的な「壁」となり、後続のレーザー光を散乱・反射させてしまうのです。

つまり、注ぎ込んだエネルギーが反応の場に届く前に遮断され、水素の収率は飽和、あるいは低下に転じます。単なるパワー至上主義的なアプローチでは、効率的な水素プラントの実現は不可能であることを、この事実は物語っています。

3. 突破口：光を「点」ではなく「糸」にする「レーザー・フィラメンテーション」

このジレンマを打破するために考案されたのが、「レーザー・フィラメンテーション」という非線形光学現象の活用です。

従来の技術では、レンズで光を一点に絞り込む「タイトフォーカス」が一般的でした。しかし、これではエネルギーが極小領域に集中しすぎ、前述のプラズマ遮蔽や局所的なエネルギー飽和を招きます。対してフィラメンテーションは、光の自己収束作用とプラズマによる発散作用を均衡させることで、光軸方向に長く伸びた「光の糸（フィラメント）」を形成します。

この手法の最大の利点は、反応が起こる「容積（interaction volume）」そのものを劇的に拡大できる点にあります。一点にエネルギーを溜め込むのではなく、光の道筋に沿って空間的に分散させることで、遮蔽の影響を避けながら効率的に分子を分解できるのです。

資料では、このメカニズムの核心を次のように述べています。

「空間的なエネルギー分散を可能にするレーザー・フィラメントは、効果的なエネルギー貯蔵庫（energy reservoir）として機能し、それによって水素製造を増強する」

この「エネルギー貯蔵庫」としての光の糸こそが、プラズマ遮蔽という物理的な限界を回避し、大規模製造を可能にする突破口となります。

4. 意外な重要因子：エネルギー量よりも「繰り返しの速さ（リピートレート）」が鍵を握る

スケールアップに向けたもう一つの決定的な知見は、レーザーの「一撃の重さ（エネルギー量）」よりも「連射の速さ（リピートレート）」が重要であるという点です。

実験では、20mJ級の高エネルギーレーザー（10Hz）よりも、0.5mJ級の低エネルギーレーザーを1kHzという高頻度で照射した方が、フィラメント形成において有利であることが判明しました。これは「累積効果（cumulative effects）」と呼ばれる現象によるものです。

高頻度なパルス照射は、水の中に「熱的・密度的な記憶」とも呼べる微細な構造を残します。驚くべきことに、1kHzの照射条件下では、この記憶が次に来るパルスを導き、フィラメントを「レンズ側に向かって自ら手前へと成長（elongation toward the lens）」させるダイナミズムが確認されました。一方、10Hzではパルス間の時間が長すぎて水が元の状態にリセットされてしまい、この累積的な成長は起こりません。

また、ナノ秒単位の遅延を持たせたダブルパルスの実験でも、顕著な増幅は見られませんでした。これは、水素製造の効率化には単なる二度打ちではなく、ミリ秒単位での「媒体の連続的な制御」による、安定した反応場の維持が不可欠であることを示唆しています。

5. 未来の展望：理論上の限界値は「商用水素プラント」に匹敵する

今回の研究成果を基にした理論上のポテンシャルは、ビジネスの視点からも極めて刺激的です。理想的な条件下（レーザーエネルギーの100%吸収、損失ゼロ）という前提での推定値ではありますが、高出力・高繰り返しレーザーを用いた場合の水素製造能力は、毎時約44kg（2.2 × 10^7 mmol/h）に達すると算出されました。

これは、現在普及している2〜3 MW級の商用電解プラントの出力に匹敵する規模です。もちろん、実用化までには光学素子の耐久性向上や、熱・気泡の蓄積を抑制する「フローセル（流路）」構成の導入、自動ビームアライメントといったエンジニアリング的な課題が残されていますが、フォトニック結晶レーザーのような新技術がこれらの解決を加速させるでしょう。

レーザー仕様別：水素生成能力と効率の比較

以下の表は、実験で得られた2つのレーザーシステムの性能比較です。注目すべきは、0.5mJ級が高頻度照射（1kHz）によって、エネルギーあたりの「効率」において20mJ級を圧倒している点です。

※数値はソース資料に基づく。生成量は13倍の差があるが、効率面では0.5mJ級が勝る。

6. 結論：私たちは「光でエネルギーを編む」時代へ

フェムト秒レーザーによる水素製造は、もはや単なる物理現象の観察対象ではなく、明確な戦略に基づいた「エネルギー工学」へと脱皮しようとしています。今回の発見は、単にレーザーのパワーを追求するのではなく、フィラメンテーションという「光の糸」を編み、時間軸の制御（リピートレート）によって「反応の場」を育てることの重要性を証明しました。

光の制御技術がさらに進化し、海水を満たしたタンクの中を無数のレーザーフィラメントが貫き、静かに、しかし力強く水素が湧き出す光景。それは、エネルギー資源を巡る地政学的な制約から人類を解放する第一歩となるかもしれません。

もし、レーザー一本で海から無限のエネルギーを取り出せる世界が実現したなら、私たちの社会はどう変わるでしょうか？その未来は、今、研究室の中で「光の糸」を操る科学者たちの手によって、一歩ずつ確実に紡がれ始めています。

北海道大学総合イノベーション創発機構化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）の美多剛教授と前田理教授らとの共同研究がプレスリリースされました。

プレスリリース
CO 2 と可視光でβ-アミノ酸を合成する新反応を開発 〜計算科学のサポートに基づく環境調和型合成法を実現〜｜静岡大学
CO2と可視光でβ-アミノ酸を合成する新反応を開発〜計算科学のサポートに基づく環境調和型合成法を実現〜 ｜北海道大学
プレスリリース】CO2と可視光でβ-アミノ酸を合成する新反応を開発 〜計算科学のサポートに基づく環境調和型合成法を実現〜 — 静岡大学グリーン科学技術研究所

研究はもちろん、遊び心も本気です。
私たちの戦いのフィールドは「ラボ」と「社会」。
それぞれの専門スキルを武器に、知のヒーローたちは今日も挑戦を続けます。

ファインバブル ✕ フロー合成
ペプチド ✕ 最近はプラスミド
サステナブルケミストリー ✕ 新反応場設計
社会実装へ向けて、変化を恐れず一歩前へ。

今年も個性豊かなメンバーがそろいました。
化学・分子からものづくり、さらには未来のプロセスまで、真剣に取り組みます。

でも、それだけじゃありません。
たまには全力であほなことも（笑）。
まじめにふざけて、楽しみながら成長するのが私たちのスタイルです。

研究も遊びも全力で！
2025年度もよろしくお願いします🔥

3年後期配属の学生さんが、L-Prolineによるアセトンとp-ニトロベンズアルデヒドの直截的アルドール反応で練習実験をしました。TLCから反応が終了したと判断して、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより、生成物の単離に取り組んでいます。5人同時開催なので、てんやわんや状態のようです（苦笑）。一つ一つ技術を身に着け、コツコツ実験をし、研究していきましょう。よろしくお願いします。

Continuous-Flow Ritter Reaction for Sustainable Amide Synthesis Using a Recyclable m-Phenolsulfonic Acid-Formaldehyde Resin Catalyst

1. 序文：私たちの生活を支える「アミド結合」の静かな革命

生命の設計図であるタンパク質から、現代医療に欠かせない医薬品、そして強靭なナイロン材料に至るまで、私たちの世界は「アミド結合」という化学構造によって支えられています。この強固な結合を構築する手法として、70年以上の歴史を持つ「リッター反応（Ritter reaction）」は極めて重要です。

しかし、この古典的なプロセスには長年の課題がありました。反応を進行させるために硫酸などの強力な液体酸を大量に消費し、結果として膨大な廃棄物（E-ファクターの増大）を生み出していたのです。グリーンサステナブルケミストリー（GSC）が叫ばれる今日、この「強酸」と「廃棄物」のジレンマを解消し、アトムエコノミーを極限まで高めることは、化学産業における喫緊の課題でした。今、そのパラダイムを転換する、クリーンで比類なき「止まらない」技術が誕生しました。

2. 比類なき持久力：366時間（2週間）休まず働き続ける触媒

今回、JOC（The Journal of Organic Chemistry）2025年号で発表された研究の核心は、新開発された触媒システムが示す驚異的な「安定性」と「生産性」にあります。

新たに設計された固形触媒「PAFR II」を用いた連続フローシステムは、一度稼働を開始すれば、実に366時間（約2週間）以上にわたって活性を失うことなくアミドを生成し続けました。特筆すべきは、単に動くだけでなく、その「質」も極めて高いという点です。

「連続フローシステムは、2週間（366時間）以上にわたって90%の収率を維持し、その安定性と生産性を証明した。」

この90%という高い収率は、次世代新薬の骨格として期待される化合物（3o）において実証された数値です。内径わずか6.5 mmの小さなガラスカラムを用いた実験室レベルの装置でありながら、1日あたり約12.7gの製品を生産可能。この事実は、高度な医薬品がオンデマンドかつ局所的に製造される「分散型製造」や「モジュール型生産」という、持続可能なものづくりの未来を強く予感させます。

3. 「バッチ」から「フロー」へ：効率を劇的に変えるメソッドの転換

化学反応をフラスコで攪拌する従来の「バッチ式」から、細い管の中に原料を流し続ける「連続フロー方式」への転換は、単なる効率化を超えた「反応の質の向上」をもたらしました。

例えば、2,6-ジフルオロベンゾニトリル（3c）の合成において、バッチ式では収率39%に留まっていましたが、フロー式では66%へと大幅に向上しています。さらに劇的な事例は、化合物（3v）の合成です。この物質は基質の立体的・電子的な特性から、従来のバッチ式では全く合成が不可能（収率0%）でしたが、フロー式では23%の収率で生成に成功しました。

このブレイクスルーの鍵は、フローシステム特有の「均一な混合」と「優れた熱伝達」にあります。滞留時間（Residence time）わずか13分という短時間で、熱や物質の移動を精密に制御することで、これまでのフラスコ内では達成できなかった繊細な反応経路が切り拓かれたのです。

4. 環境への最適解：再利用可能でクリーンな「PAFR II」の正体

この技術の心臓部といえるのが、固形触媒「PAFR II（m-フェノールスルホン酸・ホルムアルデヒド樹脂）」です。なぜこの触媒が、これほどまでに革新的なのでしょうか。

第一に、従来の液体酸（硫酸）とは異なり、固形であるため「ろ過」だけで簡単に回収・再利用が可能である点です。バッチ条件下の実験では、5回以上の再利用を行っても78%から大きな低下なく高い活性（67%以上）を維持しました。第二に、わずか「1 mol % SO3H」という極めて低い触媒量（Low catalyst loading）で反応を完結させる圧倒的な効率性です。

市販の触媒（Amberlyst 15やDIAIONシリーズなど）と比較した際、他の触媒が収率33%以下に沈む中、PAFR IIが78%（化合物3aの最適化条件）という数値を記録した理由は、その分子構造にあります。樹脂内に組み込まれたフェノール基がもたらす親水性と、原料（ニトリルやアルコール）と活性点との間の分子間相互作用を促進する機能が、既存の触媒にはない高い反応性を実現しているのです。

5. 冷却剤から次世代の新薬まで：広がる可能性の「地図」

この「止まらない触媒」が描き出すのは、私たちの生活の質（QOL）を直接的に向上させる未来です。生成されるアミド化合物は、多岐にわたる分野への応用が期待されています。

• 消費財の進化: 肌に触れると心地よい「ひんやり感」を生み出す、サイクロヘキサンカルボキサミド誘導体（3n）。
• 新薬開発のフロントライン: アルツハイマー病や癌の治療薬として注目される「GSK-3β阻害剤」の出発物質となる化合物（3o）。
• 精神疾患へのアプローチ: 認知障害や精神疾患の新たな治療薬（特許取得済み化合物）の原料となり得る化合物（3v）。

このように、今回確立された技術は単なる製造コストの削減に留まりません。環境負荷が高いという理由で敬遠されていた、あるいは製造が困難だった高度な化合物を、人類の健康と快適さのために「持続可能な形」で提供するための架け橋となるのです。

6. 結論：持続可能な「ものづくり」の未来へ

「PAFR II」という優れたリサイクル触媒と「連続フローシステム」の融合は、化学産業における持続可能な製造の新たな標準（デファクトスタンダード）を提示しました。

廃棄物を最小限に抑え、エネルギー効率を最大化し、かつ高品質な薬品を安定して作り続ける。この技術が普及すれば、大規模な化学工場はよりコンパクトで、地域社会と調和するクリーンな施設へと変貌を遂げるでしょう。

私たちが毎日手にする薬が、環境に一切の負荷をかけずに作られる日は、もうすぐそこまで来ています。この「止まらない触媒」が導く未来で、あなたなら何を作りたいですか？

本稿は、掲載論文に基づき生成AIを用いて要約・表現を作成しています。内容の正確性には配慮していますが、解釈や表現の過程で不正確な記載が含まれる可能性があります。正式な情報は原論文をご確認ください。

Manna Arun Kumar君は博士、Aisi Azmiさんは修士の学位を無事に修得しました。Arun君はインドのIITHから国費留学生として、３年間、間瀬研で研鑽し、Fine bubble technology for the green synthesis of fairy chemicals – Organic & Biomolecular Chemistry (RSC Publishing)に論文が採択され、優秀な成績で博士（工学）となりました。また、AisiさんはインドネシアからABPとして、２年間、間瀬研で研鑽し、誘電正接(tanδ) の機械学習による推算に取り組みました。文化の異なる日本で、日々研究にいそしみ、日本人学生さんともコミュニケーションをとりながら、よく頑張ってくれたと思います。ほんと、卒業、おめでとう。

昭和99年9月9日の本日、間瀬先生の誕生日会を開催しました。みんなで歌って、ケーキを分け合い、とてもおいしい時間を過ごしました。

静岡大学工学部 化学バイオ工学科 夏季オープンキャンパス2024年の様子になります。

１時間１０分ごろから間瀬研究室の紹介がされています。ご笑覧ください。