朝日研究室の物性科学班は「物性グループ」と「電気化学グループ」の2つのグループから構成され、物性グループでは、キラル材料の「固体状態のキラリティ」に着目した研究を、電気化学グループでは、「導電性メソポーラス薄膜を用いたバイオセンサ・化学センサ・光デバイス応用」に関する研究を中心に推進しています。
メインの実験室 (2階と3階) と学生居室 (3階) は先端生命医科学センター (TWIns、50号館) にありますが、早稲田大学の物性計測センター (55号館地下1階)、ナノテクノロジー研究センター (121号館2階)、各務記念材料技術研究所 (42号館)、ときには茨城県つくば市にある国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) や国立研究開発法人産業技術総合研究所 (AIST) などの学外の設備・装置を有効活用しながら、「世界トップレベルのオリジナリティ溢れる研究」を推進しています。また、国内外の大学・研究機関のみならず、企業との共同研究も積極的に行い、「研究成果の社会への還元・貢献」を見据えて研究を推進しています。
以下に当班で推進している研究の一部を紹介しますが、朝日研究室の物性科学班では、他大学からの修士・博士課程の学生も募集しています。興味がある方は、朝日教授 (tasahi at waseda.jp) までご連絡下さい。
【物性グループ】
自然界に溢れる左右非対称性、すなわち「キラリティ」は、様々な疑問を我々人類に与えます。例えば、アミノ酸にはD体、L体の鏡像異性体が存在しますが、生体を構成するたんぱく質に含まれるアミノ酸には、片方の鏡像異性体のL体しかありません。また、糖にも鏡像異性体が存在しますが、生体を構成するDNA内の糖には、逆のD体しかありません。これを生命のホモキラリティと言い、何故、生命はL体のアミノ酸、D体の糖を用いて構成されたのか？は、生命の起源にも関係する未解決の難問となっています。このためホモキラリティを持つ生体に対して作用する、医薬品、調味料、甘味料、香料などのキラリティがどちらであるか、は重要となっています。
朝日研究室の物性グループでは、キラル材料の「固体状態のキラリティ」に着目した研究を中心に推進しています。当研究室では、固体状態のキラル光学的性質を測定可能な独自の分光装置「高精度万能旋光計 (Generalized-High Accuracy Universal polarimeter：G-HAUP)」を開発してきており、このG-HAUPを用いることにより、有機・無機キラル材料の固体状態のキラリティの「謎」に独自のアプローチで迫ります。
研究内容 ― 具体的な研究テーマ
① キラルドラッグ サリドマイドの物理化学的研究
キラルドラッグの代表例であるサリドマイドは、鎮痛・催眠剤として販売されましたが、妊婦が服用した際に重篤な副作用である催奇形性が報告され、一旦販売が中止されました。しかし、近年になりサリドマイドは、ハンセン病、多発性骨髄腫など、複数の難病に対する薬効が報告され、販売が再承認されるなど再び注目を集めています。
サリドマイドはキラリティにより、その薬理作用が大きく異なります。さらに、このサリドマイドのキラリティは条件により反転してしまうため、安全性の観点から「どういう条件でキラル反転してしまうか？」を評価することが不可欠です。しかし、サリドマイドは固体状態で販売・服用されているにも関わらず、キラリティに関する研究はほぼ全てが溶液中で行われており、固体状態における研究は数例を除いてありません。
本研究では、我々が独自に開発してきた光学測定装置 G-HAUP により、固体状態のサリドマイドのキラリティを「固体状態のまま」評価することにより、固体状態における安定性、反応性（キラル反転・加水分解）などの物理化学的特性をより正確に明らかにすることに挑戦しています。
我々は、サリドマイドの結晶を溶媒蒸発法により育成し、単結晶X線構造解析及び量子化学計算を行うことにより、融点や溶解度といった物理化学的性質の違いが結晶構造に起因していることを世界に先駆けて明らかにしました [1]。また、これまで明らかとなっていなかったサリドマイド代謝産物 CBG の絶対構造を決定し [2]、サリドマイドとCBGを含む代謝産物間の加水分解・脱水反応メカニズムを明らかにしました [3–5]。さらに、昇華法による結晶育成法を開発し、気相中でサリドマイドがキラル反転を起こす可能性があることを実験的に明らかにしました [6, 7]。エナンチオマー結晶とラセミ結晶の温度依存性を世界で初めて測定し、二量体の対称性のわずかな違いに起因して熱膨張挙動に明確な差異が生じることを明らかにしました [8]。
関連論文
[1] T. Suzuki, T. Asahi et al., Phase Transitions, 83, 223–234 (2010).
[2] K. Otogawa, T. Asahi et al., Acta Cryst. E, 71, 107–109 (2015).
[3] Y. Ogino, T. Asahi et al., J. Theor. Biol., 373, 117–131 (2015).
[4] Y. Ogino, T. Asahi et al., Chirality, 29, 282–293 (2017).
[5] T. Taniguchi, T. Asahi et al., Chem. Lett., 50, 1388–1391 (2021).
[6] M. Kira, Y. Shiga, K. Nakagawa, T. Asahi et al., Cryst. Growth Des., 24, 3133–3139 (2024).
[7] 中川鉄馬, 吉良美月, 朝日透, 月刊細胞, 56, 1009–1013 (2024).
プレスリリース
マスコミ等による報道
[1] 科学新聞 「サリドマイド結晶 温度による構造変化解明」 2025年5月16日 ※紙面の4面に掲載
[2] 日本経済新聞電子版 「早大・東京科学大・名工大・東大、温度によるサリドマイド結晶の構造変化を解明」 2025年4月10日
② 銅酸化物高温超伝導体の対称性の破れに関する研究
超伝導現象は、電力・輸送・産業・情報などの広範な分野において、大幅な省エネルギー化が期待されています。一方、超伝導現象は極めて低温で発現する現象であり、その室温における実用化への道には目処が立っていません。この理由として、高温超伝導の発現機構が未だ解明されておらず、超伝導転移温度 (Tc) のさらに高い物質を設計・合成するための指針が立てられないことが挙げられます。高温超伝導の発現機構の解明のためには、超伝導体が持つ「特別な秩序」を明らかにする必要がありますが、この秩序に関する議論には未だ決着がついていません。
本研究室では、独自に開発してきた光学測定装置 G-HAUP により、擬ギャップ相における対称性の破れの存否を明らかにすることにより、銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップ相における秩序形成が何かを見出したいと考えています。G-HAUP は、光学活性・円二色性と直線複屈折・直線二色性の同時測定が可能な唯一の偏光分光法です。
劈開性を示す銅酸化物高温超伝導体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212) 結晶の a 軸、b 軸方向の格子定数の異方性は非常に小さいにも関わらず、驚くべきことに非常に大きな直線複屈折の異常分散と直線二色性のピークがそれぞれ 345、330 nm で観測されることを発見しました [1]。また、フローティングゾーン法によりさまざまな Pb 含有量の Bi2−xPbxSr2CaCu2O8+δ 単結晶を育成し、光学的異方性の起源がその「うねり構造」（不整合変調）に関連していることを明らかにしました [2]。
現在、測定試料を低温まで冷却可能な G-HAUP を新たに構築しています。今後、低温冷却 G-HAUP を用いて擬ギャップ相における旋光性・円二色性と光学的異方性を測定することにより、擬ギャップ相における対称性の破れの存否を明らかにし、高温超伝導体が持つ特別な秩序を解明することを目標に研究を進めています。
関連論文
[1] K. Zhang, K. Nakagawa, T. Asahi et al., J. Phys. Soc. Jpn., 90, 113702 (2021).
[3] K. Zhang, K. Okano, T. Asahi, K. Nakagawa, Sci. Rep., 16, 22052 (2026).
プレスリリース
マスコミ等による報道
③ G-HAUPによる固体状態のキラル光学的性質測定
物質のキラリティを定量的に評価することはきわめて重要です。キラリティを評価する手法として、左右円偏光に対する屈折率の差（光学活性）と吸収率の差（円二色性）の測定が挙げられます。キラル光学的性質を測定する汎用的な手法として、旋光計や円二色性分散計が用いられてきました。しかし、これらの測定手法が適用できるのは、溶液やアモルファス薄膜のような等方性物質に限られます。結晶や配向性薄膜のような異方性物質では、複屈折や直線二色性といった光学的異方性が同時に存在するため、通常の旋光計や円二色性分散計ではキラリティを定量的に測定・評価することはできませんでした。
小林らは 1983 年に、画期的な光学測定装置、高精度万能旋光計 (High Accuracy Universal Polarimeter、HAUP、通称ハウプ) [1-2] を開発し、異方性物質のキラル光学的性質と光学的異方性の同時測定を可能にしました。小林の流れを汲む当研究室は、HAUP をさらに進化させた一般型高精度万能旋光計 (Generalized-HAUP、G-HAUP) [3,6,8,14] を用いて、アキラルな分子から成るキラル結晶の光学活性測定 [4,8,10,14]、アミノ酸結晶の光学活性測定 [4,8-9,14]、層状無機結晶にインターカレートした有機色素分子のキラル光学的性質測定 [3]、バイオマテリアル積層コラーゲン薄膜の光学活性測定 [5-6,11]、キラルなフォトメカニカル結晶のキラル光学的性質測定 [7-8,14] を行い、他の物理量では決して得られない様々な有益な知見を明らかにしてきました。また、研究領域をキラル光学から磁気光学分野へと拡げ、HAUP の光学系を試料に磁場が印加できるように改良することにより、光軸に垂直な方向のファラデー回転（磁場を光の進行方向に平行/反並行に印加したときの光学活性）の世界初の精密測定にも成功しました [12,14]。
さらに最近では、従来の HAUP 法における課題を克服するため、透過光強度が大きくなる光学配置（対角位）に基づく新たな測定原理を開発しました。従来の HAUP 法は、透過光強度が最小となる光学配置（消光位）を用いるため、強い光吸収を示す試料や、光源強度が低下する波長域では、信号対雑音比 (S/N 比) が低下するという課題がありました。これに対し、対角位に基づく新たな測定原理では、従来法で必要とされた二次元的な測定を行うことなく、直線偏光子の不完全性に起因する系統誤差の影響も排除できる点が明らかとなりました。本測定原理を、非吸収性の一軸性結晶である MgF2 および強い光吸収を示す銅酸化物超伝導体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212) に適用しました。その結果、対角位近傍での測定から得られた LB および LD は、従来法による測定結果 [13,15] と高い精度で一致しました。さらに、測定時間を短縮できることも明らかにしました[16]。
関連論文
[1] J. Kobayashi et al., J. Appl. Cryst., 16, 204–211 (1983).
[2] J. Kobayashi, T. Asahi et al., Phys. Rev. B, 53, 11784 (1996).
[3] M. Tanaka, T. Asahi et al., J. Phys. D: Appl. Phys., 45, 175303–175311 (2012).
[4] K. Ishikawa, T. Asahi et al., Chem. Commun., 48, 6031–6033 (2012).
[5] K. Nakagawa, T. Asahi et al., Chem. Commun., 50, 15086–15089 (2014).
[6] 朝日透，荻野禎之，中川鉄馬 et al.，化学工業，66，97–108 (2015).
[7] A. Takanabe, H. Koshima, T. Asahi, J. Am. Chem. Soc., 138, 15066–15077 (2016).
[8] 朝日透，中川鉄馬，石川和彦，高鍋彰文，小島秀子 et al.，有機合成化学協会誌，75，530–537 (2017).
[9] K. Ishikawa, T. Asahi et al., J. Phys. Chem. Solids, 104, 257–266 (2017).
[10] K. Nakagawa, B. Kahr, T. Asahi et al., J. Phys. Chem. C, 121, 25494–25502 (2017).
[11] 中川鉄馬，朝日透，日本結晶成長学会誌，45，06-1–06-8 (2018).
[13] K. Zhang, K. Nakagawa, T. Asahi et al., J. Phys. Soc. Jpn., 90, 113702 (2021).
[16] K. Zhang, K. Okano, T. Asahi, K. Nakagawa, Sci. Rep., 16, 22052 (2026).
④ メタサーフェス材料を用いた新しい通信デバイスに関する研究
通信機器の多様化や Internet of Things (IoT) などの通信ネットワークを経由したサービスの増大、また人工知能 (AI) の急速な普及によって、ネットワーク内で IT 機器の処理すべきデータ量や消費電力は飛躍的に増大しています。将来の大容量通信を担うネットワークにおいては、パッケージやチップの圧倒的な小型化や集積化が非常に重要です。現在、大容量、低消費電力、低遅延なネットワークを可能にするオールフォトニック・ネットワークへの注目及びニーズが急速に高まっています。
本研究では、複数の企業と共同で、メタサーフェス材料を用いた新しい通信デバイスの開発に向けた研究を行っています。
⑤ 一般民間人の健康・快適宇宙空間を実現する宇宙 QOL 向上を目指した研究
現在、宇宙における有人活動は主として宇宙飛行士によって担われており、ECLSS（環境制御・生命維持システム）も、高度な選抜と長期訓練を経た宇宙飛行士の生命を維持することを主眼として設計・開発されてきました。一方、一般民間人を対象とした宇宙旅行や商業宇宙ステーション構想の進展に伴い、今後、地球低軌道における民間活動は大きく拡大すると予想されます。このような状況では、生命と健康を維持するだけでなく、宇宙空間において安全かつ快適に過ごせる環境を確保することが不可欠です。
我々は、温度・湿度・酸素・二酸化炭素濃度・宇宙放射線などの外的環境情報と、体温・心拍・脳波・ホルモン濃度などの内的な生体情報を網羅的かつ継続的に計測・解析する技術の確立を目指します。これにより、軽微な体調変化や健康状態の異常兆候を早期に検知し、健康リスクの顕在化を未然に防ぐことを目指します。さらに、微小重力や限られた空間・電力・通信環境など、宇宙特有の制約条件に適応した計測技術および解析モデルを開発し、一般民間人が安全かつ快適に宇宙空間で滞在するための基盤技術を構築します。
プレスリリース
⑥ 液晶による熱エネルギー変換の研究
液体と結晶の特徴を併せもつ「液晶」は、ディスプレイや温度計、食品医薬品化粧品などに応用されています。なかでも、空間反転対称性の破れたキラル液晶は、熱エネルギーを運動に変換できるため、スーパーコンピュータから捨てられる熱エネルギーの有効活用と GX 化への貢献が期待されています。
多くの研究が相転移温度近くで行われていますが、そのような系は狭い温度範囲でしか維持できないため、温度変化に晒される実社会への応用には向きません。そこで本研究では、相分離を利用し、あらゆる温度で動作可能なロバストな熱エネルギー変換デバイスの開発を進めています。これまでに、液晶を特殊なアルコール中に浮遊させることで、温度安定性を 0–100℃ に拡大しました。
また、エネルギー変換効率を高めるため、幾何学（トポロジー）にも注目しています。アルコール中を浮遊する液晶は、界面張力の作用で球形にまとまります。このとき、液晶分子の配向秩序が著しく変調されます。この柔らかい幾何学であるトポロジーを活用し、Carnot サイクルの理論限界に迫る世界最高効率の熱エネルギー変換デバイスの作製を目指しています。
関連論文
[1] S. Takano, T. Nakanishi, K. Nakagawa, T. Asahi, Phys. Rev. E, 2025, 112, 055429.
[2] S. Takano, T. Asahi, I. I. Smalyukh, Nat. Photon., 2025, 19, 659–661.
【電気化学グループ】
近年、物質のナノスケール構造とそれによって生じるナノスケール空間を自在に制御することで、革新的な機能性材料の創出に繋げる技術の開拓に注目が集まっています。「導電性メソポーラス膜」は、直径 2–50 nm 程度の制御された多数の微細な空間（細孔）を持ちながら、電気伝導性も有する無機構造体（金属や導電性無機材料）ですが、これまでの代表的な無機多孔体であるゼオライトやメソポーラスシリカと比較して、高い電気伝導性や、ナノ空間で生じる様々な電気・磁気・光学的性質・触媒活性などの点で、圧倒的な優位性があります。
朝日研では、電気化学分析システムや新開発の光学システムなど、「独自の計測技術」に基づく先進的な研究を通じて、様々なアーキテクチャを持つナノ構造と物理化学的特性の関係を解析・理解し、センサデバイスや光デバイスへの応用を図ることで、「夢の材料」の創出に貢献します。
研究内容 ― 具体的な研究テーマ
① メソポーラス膜を用いた高感度センサデバイスの開発
「メソポーラス膜」は、比表面積が極端に大きいため（比高表面積効果）、その特徴を活かした触媒・吸着剤・電気二重層キャパシタの電極材料など、様々な用途に応用されています。このような特徴に加え導電性メソポーラス膜は、細孔の大きさが光の波長に対して十分小さいため、プラズモニックな効果によりその細孔内や周辺に高強度電場が形成され、光の増強効果が実現できます。
本研究では、生命現象に係わる重要な化学物質（とくに、病気の原因となる物質や病気になったら出現する物質など）のセンシングに向け、導電性メソポーラス膜の比高表面積効果やプラズモニックな効果を活かした、既存の手法に比べより少量・低濃度で、かつ高感度に測定可能なより実用性の高いバイオメディカル・化学センサデバイスの開発を目指しています。
② メソポーラス膜の特徴的なナノ細孔を活かした光学特性の制御と光デバイスの開発
光デバイスの高性能化のために、近年、材料自体のみならず、材料のナノ構造や多層膜化といった特徴的な構造による高性能化に期待が集まっています。「導電性メソポーラス膜」は、ナノ細孔の大きさ、厚さ、密度などを、合成条件を制御することにより精密にデザインすることができますが、メソポーラス膜の特徴的なナノ細孔を活かすことにより、光学特性を効率的に制御できる可能性があります。
本研究では、様々な条件により合成したメソポーラス膜の光学・電気特性を、独自に構築した光学・電気評価系を用いて評価することにより、メソポーラス材料を用いた光デバイスにおける詳細な動作メカニズムを明らかにするとともに、メソポーラス膜の細孔を制御するという全く新しいコンセプトにより光学特性を効率的に制御する光デバイスの開発を目指しています。
③ 医療のモビリティ化に向けたバイオセンサデバイスの開発
健康寿命の延伸は重要な政策課題であり、健康の維持には早期診断による早期治療が必要です。近年、医療・介護分野における人手不足や医療費のひっ迫などの社会課題の解決も求められています。そのため、患者に近いところでの検査を可能にするポイント・オブ・ケア・テスト (POCT) デバイスによる医療機器・装置のモビリティ化が期待されています。
本研究では、医療のモビリティ化の実現に向けて、電極チップ型のバイオセンサに着目し、朝日研究室独自の「生体分子の設計」と「電極表面の制御」を組み合わせた新しいバイオセンサデバイスの開発を企業と共同で行っています。
関連論文
【これまでに獲得した代表的な競争的研究費一覧】
誘電体メタサーフェスによる光接続メタレンズの開発
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO) 官民による若手研究者発掘支援事業 共同研究フェーズ
研究期間: 2024年10月 – 2027年09月
中川鉄馬（研究代表者）
メソポーラス半導体膜の特徴的なナノ細孔を活かした光学特性の制御と受光素子の開発
独立行政法人日本学術振興会 科学研究費助成事業（学術研究助成基金助成金）
研究期間: 2024年04月 – 2027年03月
中川鉄馬（研究代表者）、中西卓也
反射防止メタレンズの開発とその光接続への応用
公益財団法人天野工業技術研究所 2025年度（前期募集）研究助成金
研究期間: 2025年04月 – 2026年03月
中川鉄馬（研究代表者）
キラルドラッグサリドマイドの固体状態におけるキラル反転機構の解明とその知見に基づくドラッグデザイン
公益財団法人池谷科学技術振興財団 単年度研究助成
研究期間: 2025年04月 – 2026年03月
中川鉄馬（研究代表者）
キラルドラッグサリドマイドの固体状態におけるキラリティ評価
独立行政法人日本学術振興会 科学研究費助成事業（学術研究助成基金助成金）基盤研究(C)
研究期間: 2023年04月 – 2026年03月
朝日透（研究代表者）、中川鉄馬
メソポーラスAu基板を用いた高感度キラル識別法の開発
公益財団法人みずほ学術振興財団 2023年度（第66回）工学研究助成
研究期間: 2023年06月 – 2025年03月
中川鉄馬（研究代表者）
銅酸化物高温超伝導体 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ における空間・時間反転対称性の破れの検証
みずほ学術振興財団（旧河上記念財団） 第59回工学研究助成
研究期間: 2016年06月 – 2018年03月
中川鉄馬（研究代表者）