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水素



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水素
水素は造語

「水素」
=徳川時代の津山藩医、宇田川家の養子「宇田川榕菴」の造語。




宇宙で一番多い元素
水素は、宇宙で観測できる物質の90%を占める元素。

  • 水素原子は電子を放つので、それを測定すると宇宙の水素原子の密度を推定できる。
  • 推定の際には、一般に水素ガスはマイナス150℃以上と仮定する。
  • 2013年、宇宙に含まれる水素ガスは、今までの想定値の約2倍あることを名古屋大学の福井康雄博士らが推定した。






三重水素(トリチウム)
身の回りのあらゆる物質は、「電子」「陽子」「中性子」の3つの種類の粒で出来ています。

同じ元素でも、原子核に含まれる中性子の数が異なる場合があり、そのような原子を同位体と呼びます。

たとえば、普通の水素は、原子核が陽子1個だけからなり、中性子をもちませんが、水素にはほかにも、原子核に中性子を1個持つ重水素、中性子を2個持つ三重水素(トリチウム)という同位体があります。

陽子と中性子は3個のクォークで出来ている。
  • 陽子=アップクォーク2個、ダウンクォーク1個
  • 中性子=アップクォーク1個、ダウンクォーク2個

宇宙線の約90%が陽子、電子は1%。






7重水素
  • これまでで最も重い水素の同位体である7重水素を作ることに谷畑勇夫・理化学研究所主任研究員らの国際共同チームが世界で初めて成功、3/14米物理誌フィジカル・レビュー・レターズに発表した。
    普通の水素の原子核は陽子1個で出来ているが、7重水素の原子核は陽子1個と中性子6個が結びついた構造。
    普通の水素の約7倍の重さがある。
    7重水素をつくったことで陽子や中性子の間に働く力の理論を検証するのに必要なデータがそろった。







水素イオン濃度(pH)の分布を視覚化する
  • 蛍光物質を使って水素イオン濃度(pH)の分布を視覚化することに内山誠一・東京大学薬学系研究科助教が成功した。
    成果は2008年5月のドイツ化学誌「アンゲバンテ」に掲載





あらゆる生物が生きるためのエネルギー
(水素から)
地球上のあらゆる生物が生きるためのエネルギーは、水素が核融合してヘリウム(He)を作る時に出るエネルギー(=太陽エネルギー)です。

緑色植物が太陽から送られてくる光エネルギーを光合成という仕組みで化学エネルギーに変えて、ブドウ糖やデンプンの形で蓄える。

植物が二酸化炭素(=無機物)と水からブドウ糖を合成し、同時に大気中に酸素を放出し、動物は植物が合成したブドウ糖やデンプンを、植物が作り出した酸素を使って燃やし(酸化)、エネルギーを得ることが出来る。そして燃えカスとして二酸化炭素と水を放出する。これによって植物と動物の間にエネルギーの循環が成り立つ。

動物は食物の中の化学エネルギーを取り出し、熱エネルギーに変えずに(変えるとヤケドする)、同じ化学エネルギーとして取り出し、ATP(アデノシンー三ーリン酸)という生体分子の中に移してそこに蓄える。









(イオンの通路)
細胞は水素イオンの出し入れによってエネルギーを得たり放出したりする 

イオンは細胞膜にある膜タンパク質を通じて出入りすることは知られていたが、実際に通り道が発見されたのは世界初。
プラスに帯電した水素イオンを誘導出来るようにマイナスの電気を帯びたアミノ酸が通路のように配置されていた。


発見したのは、生物分子工学研究所(吹田市)と京都大学の共同研究グループが極低温電子顕微鏡を使って捕らえた。
生物分子工学研の木村能章主席研究員と京大の藤吉好則教授らは、高い塩分濃度の水中に住む特殊な細菌が持つ『バクテリオロドプシン』と呼ぶ膜タンパク質を観察した。

イオンの通路は通常の電子顕微鏡では見分けられないほど小さいため、液体極低温電子顕微鏡と呼ぶ特殊な顕微鏡を用いた。液体ヘリウムで膜タンパク質を極低温に冷却、原子の大きさとほぼ同じ[0.3ナノメートル](ナノ=1/10億)まで見分けられた




水素に脳梗塞の治療効果が期待できる
日本医科大学の太田成男教授らは、水素に脳梗塞の治療効果が期待できることを動物実験で確認した。

水素には細胞を傷つける活性酸素の働きを抑える抗酸化作用があるため。
成果は2007年5/7のネイチャーメディシン電子版に掲載。

脳の血管の一部が詰まった後に活性酸素が発生して脳を傷つける『虚血再灌流』状態の脳梗塞ラットで実験した。
2%の水素を含んだ空気を2時間吸わせた後、1日経過してから脳を詳しく調べた。
吸わせなかったラットと比較すると脳の神経細胞が死滅した範囲が半分ぐらいだった。
現在、脳梗塞に使っている薬剤よりも効果が大きかった。

活性酸素には体に有害なものと、必要なものがある。
現在使われている抗酸化物質の一部は、どちらも抑制してしまうため体に害を与える可能性が指摘されている。
太田教授らによると、水素には有害な抗酸化物質だけを抑制する作用があるという。 




電解水素水を腎臓病に
2011年、東北大学と日本トリムのグループは、ラット実験で、水素ガスを含んだ水を飲むと慢性腎臓病の症状を抑えられるとする研究成果をまとめた。

水素ガスが細胞の老化などを引き起こす活性酸素を減らすためと考えられる。

水の電気分解を利用し、水素ガスを多く含んだ「電解水素水」を作製。
 

慢性腎臓病を起こしたマウスに6週間飲ませたあと、腎臓の血流を一時的に止めてストレスを与え、さらに1週間後に血液や組織を調べた。
通常の水を飲ませたマウスでは腎臓の組織が線維化するなど腎臓病の症状が進んでいたが、電解水素水を飲ませたマウスでは症状の進行が抑えられていた。

炎症や酸化ストレスの指標となる血中物質などの数値も電解水素水を飲ませることによりあがりにくくなりことを確認。 







脳や心臓で起こる機能低下を、水素ガスが抑える
蘇生後の脳や心臓の障害

2012年、慶應義塾大学の林田敬助教、佐野元昭専任講師らは心臓が一時的に止まった患者の脳や心臓で起こる機能低下を、水素ガスが抑える効果があることを動物実験で突き止めた。
日本医科大学との共同研究で、米心臓学会誌に発表。

血液の流れが再開した直後に発生して細胞を傷つける活性酸素などを、水素ガスが除去した結果とみられている。
研究チームは、いったん心肺を停止し回復させたラットに、濃度2%の水素ガスを2時間吸わせた。
水素ガスを吸引しなかったラットに比べ、脳や心臓の機能低下が抑えられた。
全身を冷やす低体温療法と比べても同等の効果が得られた。 



2014年、佐野元昭・慶應義塾大学教授らは、ラットの心肺機能を6分間止めた後に蘇生させ、5分後に抗酸化作用を持つ水素を吸わせた。蘇生しただけでは生存率は約4割だが、水素を吸わせると約7割になった。脳の神経障害も抑えられた。低体温療法との併用では生存率が8割を超えた。



ナイアシンの効能効果
ニコチン酸は、多くの代謝反応において水素の受容体として作用する

血行改善

脳神経の働きを高める

心筋梗塞の再発を防ぐ



熱水と岩石の反応
が水素発生に深く関わっていることが分かった 

2009年、海洋研究開発機構は、東京工業大学と共同で、約40億年前の初期の地球で火山岩から水素が発生した仕組みを再現実験で確認した。


初期の地球では、マントルが溶けてできた鉄とマグネシウムを含む火山岩「コマチアイト」が、地殻中に豊富にあったと考えられている。

研究チームはコマチアイトを採取し、加熱して当時の状態に加工したうえで、深海の高温高圧状態にあたる300℃、500気圧の実験装置に入れて純水と反応させた。
実験開始から1500時間経過後、測定した水素の濃度は4.8ppmに達した。

これは生命の祖先とされるメタン生成菌などの生態系を維持できるほどの高濃度である。

現在の海底の主な岩石は「玄武岩」で、“玄武岩ではここまで高濃度にならない”(鈴木勝彦主任研究員)という。
地球で生命が誕生したのは、約40億年前の海底の熱水の中であることが知られている。 




可視光のエネルギーで水を分解して水素と酸素を発生させる
  • 2010年、東京工業大学の八島正知准教授と東京大学の堂免一成教授、前田和彦助教らは、可視光のエネルギーで水を分解して水素と酸素を発生させる触媒の電子構造を解明した。
    八島准教授らは、堂免教授らが見つけた可視光で水を分解する「可視光応答型光触媒」を観察。電子状態をX線と中性子線で測定する一方、理論計算で分析した。
    この触媒は、青色発光ダイオード(LED)の基板材料として知られる窒化ガリウムのガリウムの一部を亜鉛に、窒素の一部を酸素に置き換えた物質。亜鉛と酸素が入ると、電子構造がより波長の長い可視光を吸収する形に変化することが分かった。
    触媒が可視光を吸収すると電子と電子の穴ができて表面に移動し、触媒と接する水を水素と酸素に分解する。


近赤外光で水から水素
2017年、酒井健・九州大学教授らは非常に低いエネルギーである近赤外光(700〜800ナノb)を使って水から水素を発生させることに成功した。
これまで太陽光を利用した水素製造では、波長が600ナノbまでの可視光しか使えなかった。
水素を生成させる触媒としての機能を持つルテニウムを3つ組み合わせた金属錯体を使った。



反陽子の質量を測定
  • 2011年、東京大学の早野龍五教授らとドイツのマックスプランク量子光学研究所のチームは、電荷が陽子と反対の反陽子の質量を高精度で測定した。測定誤差は約10億分の1で、2006年に自ら記録した世界記録を半減した。
  • 物質を構成する原子は、正電荷の陽子とゼロ電荷の中性子からなる原子核と、周囲を包む負電荷の電子で構成。早野教授らはヘリウム原子の電子2個のうち1個を負電荷の反陽子で置き換えた「反陽子ヘリウム」を合成。真空容器に入れ、正反対の2方向からレーザー光を同時に当てて分光と呼ぶ手法で陽電子の質量を導き出した。






反水素原子の大量合成
  1. 通常の水素原子とは逆に、マイナスの電気を持つ反陽子とプラスの電気を持つ陽電子からなる「反水素原子」の大量合成に日本や欧州の国際共同実験チームが成功。2002年9/18付けの英科学誌ネイチャー電子板に発表した。
    反水素原子と水素原子の違いを探り、物理学の基礎を検証する実験に道を開く画期的な成果。
    実験チームは欧州合同原子核研究所(CERN、ジュネーブ)に反陽子と陽電子を作る装置を建設。真空にした金属管の内部で、強い電磁力で閉じこめた約1万個の反陽子と、約3億個の陽電子を混合させた。
    反陽子と陽電子が1個ずつくっついて反水素原子が出来ると、電気的に中性となり、電磁気力の閉じこめから逃げだし、周りの物質にぶつかって消えるという特有の反応が起きる。チームはこの反応を検出、約3分間の混合で反陽子全体の1/4が陽電子とくっついて反水素原子になったことが分かった。東京大学の早野龍五教授は「20時間で少なくとも約5万個を合成した証拠を得た」と話している。
    反水素原子の合成はスイスなどのチームが1995年、、最初に成功した。ただ、できた反水素原子は9個、ほぼ光速で飛び約40ナノ秒(1/2500万秒)で消滅した。
  2. 2010年、理化学研究所と東京大学などのチームは、通常の物質と性質が違う「反物質」の反水素原子を効率よく作ることに成功した。1b角の装置で磁場を出し、マイナスの性質の「反陽子」とプラスの性質の「陽電子」をぶつけた。生成効率は7%ほど。







発熱したときの体内で活性酸素つくり出すメカニズム 
・・・自分で治す

2012年、大阪大学の藤原裕一郎助教や岡村康司教授、中川敦史教授らは、カゼを引いて発熱しときに体内で病原菌を撃退する活性酸素が作られる仕組みを突き止めた。
  • 白血球の細胞膜にあるタンパク質が変形し、活性酸素ができるのを促す働きをしていた。

  • @ 活性酸素は体内に侵入した細菌などに感染したときに、これらを殺すのに使われている
    A 細胞で活性酸素をつくる際には水素イオンもできる
    B だが、水素イオンが細胞内に蓄積すると活性酸素の生成が止まる。


水素イオンを放出して活性酸素の生成を維持するくわしいメカニズムは不明だった。 

細胞膜には、細胞が水素イオンを出し入れするのに使う2つのタンパク質がある。研究チームはこの2つのタンパク質の構造をSPring-8などで調べた。 

  • これらのタンパク質は通常、細胞の内部にある部分の構造が一部は絡まっている。 細胞の温度が37℃になると、絡まった部分がほつれて変形し、水素イオンが通り抜けて外へ放出されるようになった。その量は通常の状態の10倍以上になった。






水から水素をつくる
シリコン半導体
  • 二酸化炭素を出さない「人類究極のエネルギー」と言われている水素を安価なシリコンを使い、従来の30倍の効率で水から取り出せるチップ型の触媒の開発に、関西学研都市の財団法人「地球環境産業技術研究機構」(RITE)が世界で初めて成功した。
    光に反応して水素を分離させる働きを持つ光触媒で、水素燃料の自動車やジェット機の実用化に大きく道を開くことになりそうだ。
    これまでの光触媒は主に酸化チタンや酸化鉄などの粉末で、光のエネルギーに変換できる率は0.1%に過ぎなかった。しかも酸素と混合して出てくるため、分離が困難だった。
    これに対し、RITEが開発に成功したのは、シリコン素子半導体とコバルトモリブデン、鉄ニッケル酸化物などの金属を重ねて厚さ2ミクロンの膜状にしたもので、光を当てると膜から水素と酸素が分離してできる水素への変換率は従来の30倍にあたる3%にまで向上。チップ型で、用途に応じて加工もしやすい。

水から
  • 2009年、三菱化学、東京大学、北海道大学のチームは、太陽電池と光触媒を組み合わせて、水を効率よく電気分解する技術を開発した。
    光触媒は水を水素と酸素に分解する働きが知られている。

可視光線で
  • 独立行政法人の産業技術総合研究所は太陽光の半分を占める可視光の力で水から水素と酸素をつくる触媒を開発した。無尽蔵の水と太陽光でクリーンな水素エネルギー製造に道を開く成果という。
    開発した光触媒はニッケルを混ぜた無機酸化物半導体(インジウムタンタレート系化合物)の微粉末。
    水に入れて波長402ナノメートル(1ナノ=1/10億)の可視光を当てたところ、水素と酸素ができた。
    水素の量が酸素の2倍できるほか光を消すと発生しないことから、触媒の働きで水が水素と酸素に完全分解しているという。
    太陽光のわずか3%の紫外光で水を水素と酸素に分解する触媒はあったが、可視光で成功したのは初めて。

DMEから安価に
  • 東大の菊池隆司准教授らと京都大学、出光興産、科学技術振興機構のグループは、ジメチルエーテル(DME)を原料に水素を効率よく作る触媒を開発した。
    成果は2008年9月の触媒検討会で発表。
    開発した水素製造触媒は、酸化鉄の表面に微少な銅が分散して結合した立体結晶構造をしている。新触媒は、350℃という低い温度で反応できる。1000時間の利用も可能。劣化しても空気中で加熱すれば再利用できる。

人工光合成で
  • 2010年、東京大学と三菱化学は、植物のように光を利用してエネルギーを生み出す「人工光合成」の技術を開発した。
    特殊な化合物を水に入れて光を当てると、二酸化炭素(CO2)を出さずに水素を得られる。この化合物を様々な波長の光に反応させられれば、太陽の光で水素を作り出す製造プラントが可能になる。
    東大の堂免一成教授、前田和彦助教らが、三菱化学と開発したのは、光触媒である酸化タングステンと酸窒化タンタルを組み込んだ化合物。水に入れて光を当てると、水を水素と酸素に分解する。

アルカリ金属
  • 400℃の水から水素をつくり出す実験に2012年、広島大学の宮岡祐樹特任講師らが成功した。アルカリ金属を用いた熱化学反応を使う。

水素だけを効率よく作製
  • 2014年、北海道大学の三沢恒明教授らは首都大学東京と共同で、水を分解して水素を作る「人工光合成」を簡便なシステムで実現した。
  • 基盤の表側に金の微粒子、裏側に白金の板を配置。可視光や近赤外光など、これまで利用が難しかった波長の光も利用できる。


水素を作る酵素の仕組み 


2015年、京都大学の三木邦夫教授と立命館大学などのグループは、微生物が水素発生に使う酵素を合成する仕組みを突き止めた。 

酵素を使わない嫌気性細菌は有機物を分解するときに水素を出す

細菌が持つ酵素に含まれているニッケルが触媒として働き、細胞内の水素イオンを水素分子に変える。 


細菌がニッケルイオンを酵素に取り込む仕組みがj不明だった。 

研究チームはニッケルを運ぶのに関わるタンパク質
  • 「HypA」と
  • 「HypB」
に着目。

SPring-8で調べた結果、2つのタンパク質が組み合わさるとニッケルイオンとの結合力が600倍(単体に比べて)強くなることが判明。





脆弱化の常識を覆す金属材料

2010年、九州大学の村上敬宜理事・副学長らのグループは、金属に極めて多量の水素を侵入させると強度が向上することを見つけた。 


これまで水素は金属材料に侵入すると強度を著しく弱めるとするのが常識になっていた。
  • 今回の成果は常識を覆す新発見。
  • 米国の専門誌「メタラジカル・トランザクション・アンド・マテリアルズ・トランザクションA」に掲載。
  •  研究グループは、直径7mm、長さ約10cmの円柱状のステンレス綱の表面に直径0.1mm
  • 深さ0.1mmの穴を開け、ステンレス綱を圧縮したりひっぱたりして、穴から亀裂がどのように広がるかを調べた。
  •  水素を2.2ppm(1ppm=1/100万)しか含まないステンレス綱は亀裂が0.2mm〜3mmまで拡大するのに必要な圧縮・ひっぱりの試験回数は8200回だった。
  •  一方、高温・高圧で飽和状態になる109.3ppmまで水素を詰め込んだステンレス綱は大気中でテストすると、0.2mm〜3mmまで亀裂が拡大するのに3万2600回かかった。

金属に水素が侵入してもろくなる現象は『水素脆弱化』として知られる。
  • 30年間使用可能と想定されて作られたステンレス製のインフラ機器も水素脆弱化が起きると1年程度で壊れることもある。
  • 水素原子2個がくっついた分子の状態では金属の結晶内部に入らないが、1個の水素原子になると高圧下で入り込む。
  • 数ppmとわずかな量でも結晶の欠陥部分に集まると、亀裂を拡大させて材料全体が破断しやすくなる。
  • 材料に水素が侵入しないような技術や水素が侵入しても影響が少ない材料の開発が急がれている。
  • 九州大学と産業技術総合研究所の成果。材料分野では、水素を含むと金属の強度が落ちるというのが常識。従来の試験よりも約50倍の水素が金属に侵入すると常識が覆る成果に、投稿した学術誌の審査委員もとまどい、1年ほど議論が続いて論文掲載が遅れた。
ギ酸
ギ酸は水に溶けて運びやすく、水素を簡単に取り出せる。






下水汚泥から水素ガス
  • 2011年、東北大学の斎藤文良教授らは下水の汚泥から高純度の水素ガスを製造する技術を開発した。
  • 開発したのは康応や過程の排水をろ過した後に残る汚泥から水素を作る技術。
  • 加熱炉の中に湿ったままの汚泥と、約2倍の重さの消石灰(酸化カルシウム)を入れる。
  • さらに反応を促進させるためにニッケルメッキの廃液である水酸化ニッケルを1%弱加える。
  • 炉内の圧力を大気圧よりわずかに高くし、かき混ぜながら約600℃に加熱すると水素が発生する。汚泥の80%を占める水分はいったん水蒸気となって水素ガスと一緒に炉から出る。
  • 水蒸気は室温になると液体の水に戻るので、水素ガスを分離できる。
  • 得られた水素の純度は約90%。残り8%が二酸化炭素。約2%が一酸化炭素。
  • 汚泥は排水中に5〜8%含まれている。
  • 新技術は稲ワラも水素の原料として利用できる。稲に含まれるシリコンはセシウムと結合しやすいので、放射能汚染対策にも有効。






宇宙の水素分子
  • 2016年、渡部直樹・北海道大学低温科学研究所教授のグループ。
  • 宇宙空間に浮遊する氷の微粒子から生まれる水素分子が、氷の温度によってエネルギー状態の変化率が変わることを明らかにした。
  • 水素分子はもともと宇宙空間に多い分子。
  • 水素分子は、原子核のスピンの向きの違いから「オルソ」「パラ」と呼ぶ2つのエネルギー状態がある。
  • オルソ状態の方がエネルギーが高く、化学反応を促しやすくなる。
  • 研究グループは、独自に開発した真空実験装置の中で宇宙に浮遊する氷の微粒子の表面を−263℃〜−258℃の範囲で再現した。
  • 表面に付着させた水素分子に微弱なレーザーを当てて蒸発させてエネルギー状態を調べる実験を繰り返して、オルソ状態を調べる実験を繰り返して、オルソ状態からパラ状態へ変わる変化率を調べた。
  • 温度が高い方が・・・
  • 微小な振動(フォノン)が増え、エネルギーが逃げやすくパラ状態になりやすいことを突き止めた。






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