高校生の方へ

コンピュータで分子を計算し、その性質やふるまいを予測する化学。計算化学と、この研究室の研究を、進路を考える高校生・受験生のみなさんに向けて紹介します。

計算化学とは

まだこの世にない分子の性質を、
作る前に知る。

「化学の研究」と聞いて、白衣を着てフラスコを振る人を思い浮かべるかもしれません。けれども化学の研究室には、一日の多くをパソコンの前で過ごす人もいます。画面の中で分子を動かし、分子の中の電子を計算し、まだ作っていない分子の性質を予測しているのです。

コンピュータのなかの実験室へ、ようこそ。案内役は、「双子の計算術士」の兄テオと妹テラです。

テオとテラの紹介→

テラ

高校の化学実験では、薬品を混ぜて、色や熱の変化を観察するよね。わたしたちは、その分子のふるまいを、コンピュータで計算して調べるんだよ！

テオ

原子や電子の運動は、物理の方程式にしたがう。その方程式をコンピュータで解けば、分子の形やエネルギー、反応の進み方を予測できる。フラスコの代わりに方程式を使う化学だ。

計算化学のしくみ。分子のふるまいは物理の方程式にしたがうので、方程式をコンピュータで解けば、実験する前に性質を予測できます。

テオ

分子は非常に小さく、反応は一瞬で終わる。実験装置で直接観察するのが難しい現象が、たくさんある。

テラ

計算なら、反応の途中で電子がどう動くか、タンパク質が水の中でどう変形するかを、一コマずつ追いかけられるよ！作りたい材料を合成する前に性質を予測できるから、実験の指針にもなるんだ。

テラ

物理や数学、プログラミングは、どのくらい必要かな？

テオ

土台は、高校で学ぶ物理と化学、そして数学だ。ただし、方程式を手で解くわけではない。解くのはコンピュータの仕事だ。

テラ

プログラミングは配属後に基礎から練習できるから、入学のときの経験は問わないよ！大切なのは、身のまわりの現象を「なぜそうなるのか」と考える姿勢だよ。

計算化学の4つのはたらき

見る

小さくて速くて、実験では見えにくい分子の動きや電子を、コンピュータの中で見る。

探す

何億もの候補の分子から、薬になりそうな分子を探す。

予測する

分子を作る前に、その性質を予測する。

学ぶ

たくさんのデータから、規則を学ぶ。AIの考え方です。

この研究室の研究

山本研究室では、3つのチームがそれぞれのテーマに取り組んでいます。医療や環境、エレクトロニクスなど、身近な課題にもつながっています。

生物物理

ウイルスと薬の結合を読み解く

インフルエンザの治療薬は、ウイルスのタンパク質の特定の場所に結合して働きを止めます。薬とタンパク質の結合の強さを計算で見積もり、ウイルスが変異して薬が効かなくなるしくみ（薬剤耐性）を分子のレベルで調べます。

化学工学

二酸化炭素を分離する材料を設計する

無数の小さな穴をもつ多孔質材料を使うと、気体の混合物から二酸化炭素だけを取り出せます。どんな構造の穴がよく吸着するかを計算で比較し、温暖化対策につながる材料を、合成の前に絞り込みます。

光化学

光る分子の発光メカニズムを解明する

光を吸収した分子は、電子が高いエネルギーの状態（励起状態）に移ります。この励起状態を精密に計算することで、分子がどんな色で光るかを予測し、有機ELや医療診断に使える新しい発光材料の開発につなげます。

テラ

続きは、本でいっしょに読もう！図を動かしながら進めるよ！

くわしくは、本の Web 版で

コンピュータのなかの実験室

計算化学への招待

ここまでの話を、図を動かしながら、くわしくたどれます。

読みはじめる→

見学・体験イベント

研究室を実際に見て、計算化学にふれる機会があります。

中学生・高校生

ひらめき☆ときめきサイエンス

日本学術振興会の体験プログラムです。分子シミュレーションを実際に動かしながら、計算化学の面白さを体験できます。

高校生・保護者の方

オープンキャンパス

大学のオープンキャンパスに合わせて、計算化学の展示や体験を行うことがあります。開催情報はニュースでお知らせします。

どなたでも

サイエンスイベント出展

サイエンスアゴラなどの科学イベントに出展し、コンピュータの中で分子が動く様子を体験できるブースを運営しています。