活性炭、沸石以及金属有机框架（MOF）都拥有无数微细孔隙，能够吸附并释放特定化学物质分子等。名古屋大学研究生院工学研究科的山内悠辅卓越教授成功确立了拥有同类构造并能够导电的“导电纳米多孔体”的合成方法。山内教授长期致力于构建纳米（1纳米为10亿分之1米）尺度结构体的“纳米空间”，并以实现高度集成化的“混合空间”（Hybrid Space）为目标开展研究。从开发前所未有的高性能、高效率催化剂，到癌症标志物及微塑料检测等，山内教授正致力于其研究成果在多个社会领域的应用。
山内 悠辅
名古屋大学 研究生院工学研究科 卓越教授
昆士兰大学 教授
2020年起担任ERATO项目总括负责人
开发第二代无机多孔材料
在多个用途展现压倒性优势
获得2025年诺贝尔化学奖的研究对象——金属有机框架（MOF），是一种拥有大量微细孔隙的结构材料，被统称为“多孔体”。作为能够吸附和释放化学物质分子的材料，其应用已十分广泛，例如具有除臭功能的活性炭，用于宠物厕所砂的沸石等。
MOF是由含有碳、氮等元素的有机分子与金属离子构成的多孔体，同时也存在不含有机分子的无机多孔体。其中，以二氧化硅为材料、拥有纳米级孔隙的介孔二氧化硅（Mesoporous Silica）为无机多孔体的代表性物质。
长期从事无机多孔材料研究的山内悠辅教授，利用自主开发的方法成功制备出了可导电的多孔材料——“导电纳米多孔体”，受到全球材料化学领域的高度关注。山内教授介绍说：“无论是沸石、MOF还是介孔二氧化硅，本身都不导电，因此主要用于气体分子的吸附和分离。而导电纳米多孔体则在导电性能、骨架结晶性以及组成和孔结构的多样性等方面拥有压倒性的优势。”他将导电纳米多孔体称为“下一代无机多孔材料”。
在导电纳米多孔体中，含有金属原子的金属纳米多孔体的导电性能尤为突出，而且能够实现各种各样的组成和结构设计，因此被认为拥有极为广阔的应用前景。预计可用于光传感器、电池、血糖检测等医疗传感器、空气及水下环境监测传感器，以及利用氢气发电的燃料电池等领域。
以球状胶束为模板沉积金属
灵感源于抗癌药物递送技术
2007年，在早稻田大学获得博士学位后，山内进入了国立研究法人物质材料研究机构（NIMS）工作，当时，介孔二氧化硅和沸石等多孔材料正备受关注。他认为，如果能够制造出导电的多孔体，将有望催生大量新应用，因此开始研究导电纳米多孔体的合成方法，但研究道路相当险峻。
获得转机的灵感出现在2012年。那一年山内获得茨城县科学技术振兴财团颁发的“筑波奖励奖·青年研究者部门”奖项。同年，东京大学的片冈一则教授因开发利用高分子包裹抗癌药物并将其输送至癌细胞的纳米机器而获得江崎玲於奈奖。该技术利用同时具有亲水基和疏水基的高分子形成球状胶束，并将抗癌药物封装其中。技术核心在于实现胶束结构的稳定化。
图1 左图为胶束（Micelle）示意图。由亲水基和疏水基组成的高分子在水溶液中会自发聚集形成亲水基在外侧、疏水基在内侧的近似球形的结构，右图中，蓝色部分表示作为模板的胶束，白色部分表示金属原子。将胶束与金属离子混合形成的溶液置于导电基板上通电，使金属析出沉积；随后去除胶束，即可获得具有大量孔隙的导电纳米多孔体。
出处：Nature Communications , 6, 6608, 2015, Springer Nature
得知该研究后，山内先生产生了新的想法：“如果能够让稳定的胶束规则排列，并将其作为模板，不就能够制备纳米多孔体了吗？”于是他首先将形成胶束的高分子加入水中，高分子会自然形成疏水基在内、亲水基在外的胶束结构。随后加入金属离子，金属离子会聚集到胶束外侧的亲水基附近。然后放入导电基板并通电，将电子供给到该体系中，促使金属离子在胶束表面还原并沉积为金属（图2-B）。最后去除胶束，即可得到具有大量孔隙的导电纳米多孔体。通过调节胶束的大小，可以控制孔径，而且该反应几乎可在室温下进行，金属沉积过程通常不到1小时即可完成。
图2 A 胶束溶液（左）以及向胶束溶液中添加金属离子后的溶液（右）。金属离子会被胶束表面的亲水基吸引，聚集在胶束周围。用激光笔照射时，可以观察到胶束颗粒使光路可视化的丁达尔效应。
B 在加入金属离子的胶束溶液中放入导电基板并通电后，金属离子被还原，并在基板表面析出金属。
最初获得的孔结构并不理想，但经过对胶束直径、沉积电位和沉积时间等参数的反复优化，最终于2020年成功确立了导电纳米多孔体的合成方法，并在《Nature Protocols》发表了论文。山内回顾道：“正是将材料科学与生物学这两个完全不同领域的概念结合起来，才诞生了这种全新的材料。”
利用高熵合金实现合成
借助机器学习选定五种元素
2020年10月，ERATO“山内物质空间构造学项目”正式启动。该项目由名古屋大学、早稻田大学、NIMS以及澳大利亚的昆士兰大学的研究团队共同组成，其核心理念是：“利用所有金属元素构建多孔体，实现导电化，并进一步拓展应用范围。”项目目标是在原子层面控制材料组成，在纳米尺度设计结构，并建立能够调控各种导电纳米多孔体高度集成化“混合空间”的合成平台。
该项目的重要成果之一，是成功合成出了高熵合金（HEA）的金属纳米多孔体。高熵合金由五种以上金属元素均匀混合而成，而过去的金属纳米多孔体通常最多只能容纳三种金属元素。
HEA由于具备独特的物理化学性质、卓越的耐久性以及能够以高选择性引发复杂反应的特性，被视为极具潜力的新型催化材料。然而，因其复杂结构，一直难以取得有用的研究成果。山内教授将铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）、钌（Ru）、铜（Cu）这五种金属按照特定比例混合，并采用前述合成方法，成功获得具有规则晶体结构的导电纳米多孔体（图3）。
图3 A～C为高熵合金导电纳米多孔体的电子显微镜图像。D为采用“元素映射”技术获得的图像，不同颜色分别代表不同元素。由图可确认材料中含有铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）、钌（Ru）和铜（Cu）。
出处：Nature Communications, 14, 4182,2023, Springer Nature
实验发现，采用上述方法制备的多孔体作为电极催化剂，在氢气生成反应中表现出优异的活性和稳定性。此外，还能够在酸性、中性及碱性等广泛pH条件下保持催化性能。这些性质是以往的HEA所不具备的。一般催化剂随着反应进行会逐渐失活，而这种多孔体即使经历2500次催化循环，其活性几乎没有下降。
山内教授在筛选Pt、Pd、Rh、Ru和Cu五种元素的过程中，借助了人工智能（AI）的一种——机器学习的力量。他采用了由AI预测材料组合、实验验证结果，再将结果反馈给AI持续学习的“主动学习”方法。山内教授谈到采用AI 的理由时表示：“借助机器学习，数据重现性高，能够更高效地发现优秀催化剂。”
不过，AI只能预测纳米多孔体表面发生的反应的活性。在产氢反应中，对于产生的氢如何高效回收氢气，仍需研究人员自己思考。山内教授强调：“吸收AI的建议，同时设计并制造最优结构，这才是我们的工作。”
组合大小两种孔结构
实现微塑料检测
山内教授还开发出一种能够将铂原子均匀分散于纳米多孔体表面的技术。由于催化反应仅发生在表面，因此无需将昂贵的铂填充到材料内部。若只在表面配置铂原子，不仅能够保持反应性能，还能大幅削减成本。更进一步，如果让铂原子以单原子形式孤立分散，还能最大化其表面积，从而进一步提高反应效率。
山内教授首先制备了由价格较低的镍（Ni）构成的纳米多孔体，然后利用“置换镀层”反应，在其表面使镍溶解同时使铂沉积，最终实现超过10%的铂原子以单原子状态孤立分散的状态（图4）。山内教授自信地说道：“正因为纳米多孔体拥有极大的表面积，才得以实现这种结构。借助这一技术，我们能够制造出具有世界顶级活性的终极催化剂。”
图4 将铂原子孤立分散的金属纳米多孔体的示意图（左）及其电子显微镜图像（右）。在电子显微镜图像中，红色圆圈标出的亮点即为单个铂原子。
出处： Science Advances , 10, 25, 2024, AAAS
ERATO项目“将具有各种特性的导电纳米多孔体高度集成化”的成果之一，是开发出了用于检测微塑料的多孔体材料。微塑料是指尺寸小于5毫米的塑料颗粒，其中很多甚至小到数微米乃至100纳米以下，肉眼无法看到。其对海洋生态系统和人体健康的潜在影响正引发关注。山内教授通过组合两种不同孔径的多孔体，开发出一种低成本且简便的微塑料检测技术。（图5）
图5 用于检测微塑料的纳米多孔体照片（左上）及其电子显微镜图像。放大观察左下方具有较大孔径的多孔体表面后可以发现，其表面规则排列着更小尺寸的孔隙。
出处： Nature Communications , 15,4351, 2024, Springer Nature
具体方法是，采用孔径数百微米的多孔体作为主体，在其表面覆盖一层孔径仅数十纳米的多孔薄膜。当微塑料与多孔薄膜结合时，会产生特定信号。通过解析这些信号，就能够确定微塑料含量以及其种类。山内教授介绍说：“这是一个利用大孔捕获物质、利用小孔进行检测的机制。”与传统需要逐类分离和分析微塑料的方法相比，该技术可降低90%以上成本，并有望扩展至其他多种物质的传感检测领域。
以全合成理念重塑无机化学
让无机化学变得更加优雅
ERATO项目期间，人才交流活跃也是一项重要成果。山内教授也是澳大利亚昆士兰大学的教授，他不仅为名古屋大学的学生提供了在昆士兰大学听课并接触最先进实验设备的机会，还聘请了昆士兰大学的研究人员担任名古屋大学的专职教师。参与ERATO项目的研究人员如今活跃于世界各地的大学任教，为推动国际化做出了贡献。
对于引领导电纳米多孔体研究的山内教授而言，最大的动力之一来自于“把无机化学打造成一门更加高雅的学问”这一愿望。在有机化学中，存在一种从单个分子出发，经过多个步骤合成出复杂分子的“全合成”理念。山内教授希望，在无机化学领域同样能够建立类似体系，“通过控制原子、借助AI设计组成、规划空间结构、最终转化为材料与物质，形成一套可以称之为‘无机全合成’的完整流程”。未来，他将继续致力于导电性纳米多孔体的研究。
（TEXT：岛田祥辅、PHOTO：水野由佳）
日文：JSTnews 2026年6月号
翻译：JST客观日本编辑部
