特定の特性を持つ材料を生成する能力は、エネルギー貯蔵や生物医学といった分野の可能性を塗り替えつつあります。金属有機構造体（MOF）は、特定の構造や特性を開発する上で無限の可能性を秘めた材料の一例です。過去20年間にわたるこれらの材料への研究の進展により、ガス分離・貯蔵から触媒、生物医学センサーに至るまで、幅広い分野で飛躍的な進歩をもたらそうとしています。
2025年10月8日、2025年ノーベル化学賞が発表され、金属有機構造体（MOF）に関連する研究が評価されました。MOFは、構造を調整可能で高い表面積を持つ、革新的な多孔質結晶材料です。その並外れた汎用性により、環境浄化、再生可能エネルギー、工業触媒、医療診断、薬物送達、エレクトロニクス、センシング技術といった世界的な課題に対処するためのプラットフォームとして応用可能です。CASの科学者は以前からMOFに注目しており（動画）、まさに「ノーベル賞級」であると示唆していました。
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MOFは、配位結合によって互いに結合した金属イオンまたは金属クラスターと有機リンカーで構成されており、多孔質の結晶材料となります。1990年代にオマール・M・ヤギ博士とそのチームによって発見されて以来、約9万種類のMOFが合成され、さらに数十万種類が予測されています。私たちは、科学情報の最大規模の人間によるキュレーションリポジトリであるCAS Content CollectionTMを分析し、MOFがどこで大きな影響を与えているかを調査しました。その結果、MOF関連の出版物数はわずか数年で急増していることがわかりました（図1参照）。
出版物の大半はジャーナルによるものですが、特許出版物の増加は、この技術のより広範な商業化が差し迫っていることを示唆しています。これは、脱炭素化への取り組み、安全な水へのアクセス、センサー、薬物送達システムなどの分野で、重要なブレークスルーが目前に迫っていることを意味する可能性があります。
金属有機構造体とは何か？
MOFは主に、遷移金属と、カルボキシレート、ピリジル、スルホネート、シアニドなどの官能基を含む有機リンカーで構成されています（図2参照）。金属クラスター内の金属イオンと有機リンカーの組み合わせは多様であり、これがMOFの多様性を生み出しています。つまり、細孔のサイズ、形状、化学的・物理的特性を変化させることができるのです。
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MOFの表面積は、あらゆる材料の中で最も高く、最大7000 m2/gに達し、将来的には14600 m2/gに達すると予測されています。また、高い多孔性と調整可能な化学的機能も備えています。この多様性によりMOFは多くの用途で有用ですが、そのモジュール的な性質ゆえに、構造と特性の関係を予測し、特定の用途に適したものを選定することは困難です。この課題に対処する鍵は、先端技術にあるかもしれません。
AIはどのように金属有機構造体の研究を推進するか
機械学習を含むAI手法は、膨大な数の既存MOFをスクリーニングし、新しいMOFの特性を予測することさえ可能です。これにより、特定の用途に適したMOFを特定するための時間と労力を削減できます。例えば、水素ガス吸着のためにMOFをスクリーニングする機械学習手法は、従来の分子シミュレーションよりも3桁以上高速であることが判明しました。
同様に、MOFの合成には通常、試行錯誤のアプローチが必要であり、時間とリソースを浪費します。しかし、別の研究では、過去の実験データで学習した機械学習を用いて計画された合成実験の結果を予測したところ、89%の成功率を達成しました。
AIを活用した技術は、MOFの構造や特性が持つほぼ無限の可能性を人間の研究者よりも迅速に評価することで、これらの材料を理論から実用へと移行させる一助となります。CAS Content Collectionでは、過去10年間でMOF分野におけるAI関連の出版物が増加していることが確認できます。これらのAI関連文書においてCASにインデックスされた上位15の概念を見ると、技術的な側面に加え、吸着や分離といったテーマへの関心が高まり始めていることがわかります（図3参照）。
金属有機構造体（MOF）の脱炭素化に向けた応用可能性
MOFは多様な特性を備えているため、ガス貯蔵・分離、触媒、エネルギー貯蔵など、脱炭素化の取り組みを支えるさまざまな用途に適した候補材料です。図4は、CAS Content Collectionの出版物に基づき、MOF研究が行われている幅広い分野を示しています。また、エネルギーやガス貯蔵といった脱炭素化関連の用途において、特許の割合が高いことも確認されました。
なぜMOFはこれらの用途において有望な候補なのでしょうか。その鍵は、特性を調整できる点にあります。
- ガス分離および貯蔵：高い比表面積と多孔性に加え、化学的特性を調整できるため、MOFはガスや揮発性有機化合物（VOC）を吸着する能力を備えています。この特性により、特にCO2のガス分離・貯蔵において大きな注目を集めています。MOFは、産業排出量の削減や地球温暖化の抑制に不可欠な二酸化炭素回収技術において重要な役割を果たす可能性があります。ExxonMobilは、二酸化炭素回収およびナフタレン分離に関するMOFの特許を
出願しています。また、キング・アブドラ科学技術大学も二酸化炭素回収およびガス分離に関する特許を出願しており、Nuadaのようなスタートアップ企業は、セメントメーカーがCO2を回収する際にMOFをどのように活用できるかを模索しています。
- エネルギー貯蔵：MOFは、リチウムイオン電池の正極および負極材料として研究されています。また、その大きな比表面積から、スーパーキャパシタへの応用も研究されています。これらのエネルギー貯蔵デバイスは、ハイブリッド車や鉄道などで頻繁に使用されています。
- 触媒：MOFは、そのモジュール式の組成により、比表面積が大きく、活性点や化学的機能を自由に選択できるため、触媒用途にも適しています。これらは、燃料電池や水電解といったエネルギー貯蔵・変換技術において重要です。ある研究では、MOF由来の窒素ドープカーボンナノチューブが、他の電極触媒と比較して向上した電極触媒活性と安定性を示すことが明らかになりました。
図5では、これらの技術やその他の技術に関連する特許状況、特に国際特許分類（IPC）コードの「作業（B）」および「電気（H）」を確認できます。
MOF応用のその他の分野
MOFの構造と特性の多様性は、脱炭素化以外の多くの分野でも有望視される理由となっています。例えば、MOFの吸着能力は、エアコンの除湿や、大気中から水を取り出す「大気水回収」に役立ちます。これは、安全な水源が不足している地域で清潔な水を確保するために極めて重要となる可能性があります。特許分析によると、カリフォルニア大学理事会は、水や空気の浄化、および水回収に向けたMOFの研究を行っています。
材料研究者は、CAS SciFinderを使用して材料科学の文献を検索し、イノベーションを支える構造と特性の相関関係や合成方法を特定できます。
MOFの生物医学分野への応用も拡大しています。MOFのユニークな構造は、リンカー発光、配位子から金属への電荷移動、金属から配位子への電荷移動など、さまざまな経路で発光を示すことを可能にします。この特性と、低毒性かつ生分解性であるという利点から、バイオセンサーをはじめとする発光ベースのセンサーへの利用が進んでいます。
こうした発光特性と、他の発光ナノ粒子を保持する能力により、生物医学イメージングにおけるMOFの応用が進んでいます。また、研究者はドラッグデリバリーシステムへのMOFの活用も模索しており、これはナノテクノロジーを駆使して体内に薬剤をより効果的に届けるための有望な分野です。
MOFは、その潜在的な用途の広さから、最も困難な科学的課題のいくつかを解決する重要なブレークスルーをもたらしています。AIと機械学習の最近の進歩により、これらの材料のスクリーニングと評価がより迅速かつ容易になっており、さらなる進歩や商業利用が近づいていると言えます。
金属有機構造体に関する特許動向の詳細については、C&ENの Eye on Patentsをご覧ください。
