中途半端な価数の新化合物の物性・構造を明らかに
～物質の電磁気的性質の理解に役立つ発見～

2026年6月4日
大阪公立大学
高輝度光科学研究センター
理化学研究所

＜ポイント＞
①バリウム(Ba)以外の+2価の金属を用い、金属フラーレン化合物の構造と物性を調べた。
②フラーレンにドープ^※2 できる金属元素のうち、原子の大きさが最も小さい希土類金属イッテルビウム(Yb)を用いることで、体積を小さくできた。また、その結晶構造の変化を観察することに成功した。
③物性については、超伝導は発現しなかったが、広い温度範囲で金属として振る舞うことが判明した。

＜研究者コメント＞
この論文は私が博士前期課程在籍中に自力で着想し、博士後期課程まで続けた研究成果の一部です。『この方法ならうまくいくだろう』と考えて、予想通りになった事・まったく予想しなかった事の両方が含まれる、研究の面白さが凝縮されたテーマでした。未発見の新物質を自力で合成する物質科学の醍醐味を成果として発表でき、大変うれしく思います。

＜研究の背景＞
60個以上の炭素原子が集まってできるフラーレンという分子は、ボール型の構造をしており、さまざまな性質があります。例えば、固体のフラーレンC₆₀とアルカリ金属を高温で反応させると、結晶の間隙にアルカリ金属が入っていく現象であるドーピング^※3やインターカレーション^※4が起きます。このとき、アルカリ金属は電子を周りに渡しやすい性質になり、フラーレンは電子を受け取りやすい性質になるため、アルカリ金属からフラーレンに電子が移動します。これを電荷移動といい、アルカリ金属をたくさんドープすると、フラーレンが持つ電子の数も増えます。
このような金属とフラーレンの化合物は超伝導を示すなどの性質があります。ドーパント^※5の大きさ・価数・数によって結晶構造と物性が劇的に変化することから、発見以来30年以上にわたり研究が続けられてきました。C₆₀は12個まで電子を受け取ることができ、どの価数がどのような性質を示すのか、大まかには調べられてきましたが、組成式A₅C₆₀で表される物質が存在しないため、-5価状態のC₆₀からなる金属フラーレン化合物はこれまでほとんど研究されてきませんでした。しかし、アルカリ土類金属のバリウム(Ba)と一緒にドープすることで、唯一Ba₂AC₆₀という物質のみ-5価状態を実現できていました。ただし、金属フラーレン化合物では、価数が同じでも結晶の体積が変わると物性も変化することが知られています。Ba₂AC₆₀は体積がアルカリ金属の大きさによってほとんど変化しないため、-5価状態のフラーレンの詳しい物性は明らかになっていませんでした。

＜研究の内容＞
本研究では、Ba以外の+2価の金属を用い-5価状態のC₆₀からなる金属フラーレン化合物の構造および物性を調べました。フラーレンにドープできる金属元素は化学的性質から数種類に限られているため、その中で原子の大きさが最も小さい希土類金属イッテルビウム(Yb)をBaの代わりに用いることで体積の制御範囲を拡大できると考えました。その結果、体積を小さくするという目的が達成でき、同時に予想していなかった結晶構造の変化も観察されました。これは、大型放射光施設SPring-8^※6のビームラインBL02B2における放射光粉末回折実験やOak Ridge National Laboratoryにおける中性子回折実験により、C₆₀分子の五員環^※7がYb原子の方を向いており、同時にC₆₀分子が結晶軸から少し傾いた状態であることが明らかになりました。
また、SPring-8のビームラインBL12XUにおけるX線吸収分光法により、ドープしたYbの価数は室温でほぼ純粋な+2であることが明らかになりました。他の希土類フラーレン化合物においては+2.2程度の“中途半端な価数”を取ることが知られていることから、本結果は価数揺動^※8の研究に重要な情報を与えます。
さらに、物性に関しては、超伝導は発現しませんでしたが、広い温度範囲で金属として振る舞うことを実験で確認しました。これは 電子間の強い反発が超伝導のカギとなる -3 価のフラーレン化合物とは異なる性質ですが、 伝導帯のバンド^※9の幅Wと電子間の反発の強さUが同程度の強さであることが主な理由であることを、密度汎関数理論^※10による計算と実験結果を照らし合わせることで明らかにしました。

＜期待される効果・今後の展開＞
本研究は、これまでに数例しか報告のない-5価状態の金属フラーレン化合物において、世界で初めて結晶格子体積を変化させることで、バンド構造の制御に成功し、また結晶構造と電子物性について詳細に明らかにしました。これらは、金属フラーレン化合物を含む、強相関電子系物質^※11 の電気的・磁気的な振る舞いを理解するためのマイルストーンとして重要な情報を与え、将来的には超伝導物質の設計指針につながります。また、副次的な発見として、通常+3価であるYbイオンが、Yb₂CsC₆₀中でほぼ+2価となる物質であることが明らかになりました。さらに、炭素という地球上にありふれた元素で作る機能性材料としても将来的な応用が期待されます。

＜資金情報＞
本研究は、次世代研究者挑戦的研究プログラム事業(JPMJSP2139)、科学研究費補助金（JP21H01907、JP22K18693、JP23KJ1843）の支援を受けて実施しました。

【用語解説】

“氷を制御するタンパク質”が乾燥から細胞を守ることを発見
線虫を用いて、生体保存技術への応用につながる新たな細胞保護機能を解明

2026年6月2日
茨城大学
高輝度光科学研究センター
東京大学大学院新領域創成科学研究科
北海道大学

下瀬 大輝　　茨城大学大学院理工学研究科博士前期課程（研究当時）
尾崎 晃太郎　茨城大学大学院理工学研究科博士前期課程
栗山 稜平　　茨城大学大学院理工学研究科博士前期課程（研究当時）
池本 夕佳　　公益財団法人高輝度光科学研究センター 分光イメージング推進室 主席研究員
三尾 和弘　　国立研究開発法人産業技術総合研究所 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 単一状態計測チーム ラボチーム長（研究当時）
佐々木 裕次　東京大学大学院新領域創成科学研究科 教授
新井 達也　　北海道大学大学院先端生命科学研究院 助教
津田 栄　　　北海道大学大学院先端生命科学研究院 学術研究員
新海 陽一　　国立研究開発法人産業技術総合研究所細胞分子工学研究部門細胞未病エンジニアリング研究グループ 研究グループ長
倉持 昌弘 　 茨城大学学術研究院応用理工学野 講師

氷晶結合タンパク質は、氷の表面に結合して氷結晶の成長や再結晶化を制御するタンパク質であり、魚類、昆虫、植物、菌類など、さまざまな生物で見つかっています。氷晶結合タンパク質はこれまで主に凍結環境で生物を保護する分子として研究されてきました。一方で近年では、この氷晶結合タンパク質が、氷の存在しない低温条件でも細胞を保護する可能性が報告されており、その作用には細胞膜の安定化が関係すると考えられています。細胞膜は、凍結、乾燥、浸透圧変化などのストレスによって構造が乱れやすく、細胞の生死に大きく関わる重要な構造です。そこで本研究では、氷晶結合タンパク質が、凍結だけでなく乾燥ストレスに対しても細胞を保護できるのではないかと考え、モデル生物である線虫Caenorhabditis elegansを用いて検証しました。

研究グループは、高活性の菌類由来氷晶結合タンパク質 TisIBP8 を筋細胞で発現する線虫を用い、乾燥ストレス後の生存率、運動機能、筋細胞の損傷、細胞膜構造の変化を評価しました。乾燥処理後に水を加えて再水和し、生存率を調べたところ、TisIBP8 を発現する線虫では、野生型線虫と比べて生存率が有意に高くなりました。特に 20分および30分の乾燥処理で保護効果が認められました。一方で、40分の強い乾燥処理では両者とも生存が確認されず、TisIBP8 の効果は強い乾燥耐性を与えるものではなく、乾燥による細胞ダメージを部分的に軽減するものと考えられました。次に、筋細胞の細胞核を蛍光タンパク質で可視化して解析したところ、TisIBP8 を発現する線虫では、乾燥後も検出可能な筋細胞核がより多く保持されていました。これは、TisIBP8 が乾燥による筋細胞の構造的損傷を抑えることを示しています。さらに、大型放射光施設SPring-8 の BL43IR において、放射光赤外顕微分光を用いて線虫体内の膜脂質構造を解析しました。その結果、野生型線虫では細胞膜脂質に由来する赤外吸収スペクトルが乾燥後に大きく変化したのに対し、TisIBP8 発現線虫ではその変化が小さく抑えられていました。これにより、TisIBP8 が乾燥ストレス下で細胞膜構造を安定化している可能性が示されました。

本研究により、氷晶結合タンパク質は氷結晶の成長を制御するだけでなく、細胞膜を安定化することで乾燥ストレスによる細胞損傷を軽減する可能性が示されました。凍結保存では、氷結晶による物理的損傷だけでなく、凍結に伴う水分移動や浸透圧変化によって細胞が脱水状態にさらされることも大きな問題です。そのため、本研究で明らかになった「膜安定化による脱水ストレス緩和」は、凍結保存の新しい理解にもつながる可能性があります。今後は、氷晶結合タンパク質がどのように細胞膜と相互作用するのかを分子レベルで明らかにするとともに、細胞、組織、臓器、微生物など、さまざまな生体試料の保存技術への応用可能性を検討していきます。

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 ACT-X(JPMJAX22B7)、日本学術振興会(JSPS)科研費（25K01630、25K22444、24K17826）の支援を受けたものです。

細胞1つの元素量を測る新手法、軟X線で実現
――海洋植物プランクトンに含まれる酸素量をピコグラムの精度で計測――

2026年6月3日
東京大学
名古屋大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

◆海洋植物プランクトン細胞１つに含まれる元素量を定量する計測手法を新開発の軟X線分光顕微鏡を用いて開発しました。
◆これまで測定が難しかった軽元素である酸素について、単一細胞レベルでの絶対質量測定をピコ（1兆分の1）グラムの精度で実現しました。
◆本手法は炭素や窒素など他の元素にも適用可能であり、細胞内元素分布や化学状態を可視化する新たな分析基盤として、生命科学を含む様々な物性研究への貢献が期待されます。

背景
生物の細胞は、炭素や窒素、酸素、鉄など多様な元素から成り立っています。これらの元素が細胞内のどこに、どれだけ存在するかを調べることは、細胞の機能や環境への応答を理解するために欠かせません。中でも、海洋の植物プランクトンは、地球全体の光合成の約半分を担う、地球規模の元素循環に関わる重要な生物です。しかし、個別のプランクトンに含まれる元素を直接かつ定量的に測定することは微小な試料サイズから難しく、特に軽元素の計測については様々な技術的な制約が存在していました。

研究内容
本研究グループは、この課題を解決するため、軟X線スペクトロ・タイコグラフィを用いた新たな元素定量法を開発しました。タイコグラフィは、試料にX線を照射して得られる回折パターンから画像を再構成する手法であり、従来の顕微鏡では実現困難な高い空間分解能と感度を両立できる点に特徴があります。軟X線スペクトロ・タイコグラフィでは、個別の元素に特異的に反応する軟X線の波長域をまたいで多数の画像を取得し、吸収像の変化から元素ごとの分布と質量を評価しました。
本研究では、海洋植物プランクトンである珪藻 Thalassiosira weissflogii^※2（図2）を測定対象としました。兵庫県播磨の大型放射光施設「SPring-8」^※3ビームラインBL07LSUにおいて軟X線スペクトロ・タイコグラフィ測定を行い、プランクトン細胞中の酸素の分布および量を評価したところ、細胞質と比較して珪藻の隔壁に特に高密度に酸素が分布をしていることが分かりました。また軟X線吸収率の変化から、それぞれの領域に含まれている酸素の量を17±2 ピコグラム、53±6 ピコグラム、50±5 ピコグラムと極めて高い精度で決定することができました。これらの計測結果は、ガラスのナノ粒子での計測（図3）や、金属元素に対して高い検出感度を持つ蛍光X線顕微鏡^※4との比較により妥当性を検証しました。

今後の展望
本成果は、単一細胞を対象とした元素定量分析の新たな基盤技術を示すものです。細胞ごとの個性を統計的に調べることが可能になるため、植物プランクトンの生理状態、元素循環、環境変化への応答をより深く理解できるようになると期待されます。また軟X線スペクトロ・タイコグラフィでは、元素量に加えてその化学状態まで調べることができます。研究グループでは既に同手法により細胞内に含まれる元素ごとの化学状態を地図のように可視化することにも成功しています（関連情報②）。将来的には、特定の元素が細胞内でどの化合物や構造にどれだけ含まれ、どのように機能しているかを調べる研究へと発展させることが可能です。そのため、本技術は生命科学のみならず、軽元素から成る有機材料やデバイスの分析にも応用可能な基盤技術として、幅広い分野への波及が見込まれます。

東京大学
　物性研究所
　　Jordan Tyler O’Neal　特任研究員（研究当時、 現： 日本学術振興会外国人特別研究員）
　　木村　隆志　准教授 （兼：理化学研究所 放射光科学研究センター 客員研究員）
　　竹尾　陽子　助教 　（兼：理化学研究所 放射光科学研究センター 客員研究員）
　大学院農学生命科学研究科
　　児玉　武稔　准教授
名古屋大学
　大学院工学研究科
　　松山　智至　教授
理化学研究所
　放射光科学研究センター 生体機構研究グループ
　　志村　まり　研究員 （兼：国立健康危機管理研究機構　研究員）
高輝度光科学研究センター
　ビームライン光学技術推進室
　　大橋　治彦　特任参事 　（兼：理化学研究所　放射光科学研究センター　客員研究員）

本研究は、科学技術振興機構(JST)の次世代研究者挑戦的研究プログラム(JPMJSP2108)、創発的研究支援事業(JPMJFR2469)、日本学術振興会 科学研究費助成事業（20H04451、23H01833、25KJ1045、25K03389、24K22349、23K26978、23K26526、23KF0019）、精密測定技術振興財団、アサヒグループ財団、文部科学省 「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（JPMXP1223UT1093、JPMXP1224UT1025、JPMXP1225UT1159）の支援により実施されました。

【用語解説】

超高強度レーザーとXFEL で ナノ構造内部のプラズマを直接可視化
―ナノワイヤー中にエネルギーが閉じ込められる仕組みを超高速計測で解明—

2026年6月1日
大阪大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

超高強度レーザーを照射したナノ構造材料^※1 の内部で生じるプラズマ^※2 が、狭い領域で効率よく 加熱される様子を、X 線自由電子レーザー(XFEL)^※3 によって直接計測することで初めて実証。
非常に短い時間における変化で計測が極めて困難であったが、XFEL を用いることにより直接可視化することに成功。
レーザーエネルギーをナノ構造によって制御する考え方は、レーザー加工や先端材料開発など、より広い産業分野への波及も期待される。

この材料は、「非常に細かい毛のような構造が密集した材料」であり、レーザー光を内部に取り込みやすい特徴を持っています（図1）。そのため、通常の平らな材料よりも効率よくエネルギーを吸収できることから、高輝度 X 線源、粒子加速、核融合研究などへの応用が期待されています。しかし、その内部で起きる現象は、時間的にも空間的にも極めて小さいため、これまで直接観測することは困難でした。
本研究では、このナノワイヤーにレーザーを照射した直後の状態を、超高速で観測できる XFEL で時間ごとに追跡しました。その結果、レーザー照射直後にナノワイヤーが急激に加熱され、その後、ワイヤー構造の崩れに伴ってさらに温度が上昇することが明らかになりました。さらに、電子の動きが横方向に抑えられるため、エネルギーが外へ広がりにくく、内部に閉じ込められることも分かりました。
本成果は、レーザーと物質の相互作用の理解を大きく前進させるものであり、将来的な高効率エネル ギー利用技術やレーザー核融合研究への応用が期待されます。
本研究成果は Springer Nature が発刊する学術誌『Scientific Reports』に 2026 年 4 月 1 日 に掲載されました。

近年の超高強度レーザー技術の進展により、実験室で極めて高温・高密度の状態を作り出すことが可 能となり、核融合や宇宙物理、粒子加速などの研究が大きく進展しています。
その中で、微細な柱状構造を多数並べたナノワイヤーは、レーザー光を内部に閉じ込めやすく、従来の 平坦な材料に比べて高いエネルギー吸収効率を示すことが知られています。このため、強力な X 線発生や高エネルギー粒子生成などへの応用が期待されてきました。
一方で、このような材料の内部で、エネルギーがどのように吸収され、どのように広がっていくのかについては、これまで主に数値シミュレーションや間接的な計測に頼っていました。ナノ構造の内部で起きる現象は、時間スケールではピコ秒以下、空間スケールではマイクロメートル以下と極めて小さいため、従来の計測手法では直接見ることが難しかったからです。
この課題を解決するために、本研究グループは、超高速・高輝度の X 線を発生できる XFEL を用い、レーザー照射直後のナノワイヤー内部の状態を直接観測することに取り組みました。

本研究では、高強度レーザーを照射した微細構造材料の内部を、XFEL を用いたポンプ・プローブ計測^※4 によって観測しました。特に、ナノワイヤーの部分とその下にある基板部分を異なる材料で作製することにより、XFEL のエネルギーを調整して、それぞれの領域の状態を分けて観測できるようにしました。これにより、材料内部のどこで、いつ、どのようにエネルギーが蓄えられ、移動するかを詳しく調べることが可能になりました。その結果、次のような重要な知見が得られました（図2）。
まず、レーザー照射直後に微細構造内部が急速に加熱され、電子温度^※5 はおよそ 120 eV に達することが分かりました。さらに、およそ 10 ピコ秒後（1000 億分の 1 秒後）には、構造そのものの崩れに伴 って電子温度が約 140 eV まで上昇することが明らかになりました。これは、最初のレーザー加熱だけでなく、構造変化そのものが追加の加熱に寄与していることを示しています。
また、エネルギーが横方向にあまり広がらないことも観測されました。これは、微細な柱状構造のすき間と、その周囲に形成される磁場の影響によって、電子の横方向の移動が抑えられているためだと考えられます。その結果、エネルギーが局所的に閉じ込められ、高温状態が保たれやすくなっていることが分かりました。さらに、ナノワイヤーの部分で発生した高エネルギー電子が、その下の基板部分に到達するまでの時間が、およそ 0.2 ピコ秒であることも明らかになりました。

本研究成果は、ナノ構造を利用した高効率なエネルギー吸収および輸送制御に関する重要な知見を提供するものです。特に、レーザーエネルギーを効率よく高温状態へ変換し、そのエネルギーを局所に保つことができるという知見は、将来的な高輝度 X 線源の開発、レーザー駆動粒子加速、小型化された核融合技術などにおいて、材料設計の新しい指針になると期待されます。また、エネルギーの流れをナノ構造によって制御する考え方は、レーザー加工や先端材料開発など、より広い産業分野への波及も期待されます。
本研究で用いた XFEL による超高速観測手法は、今回の材料に限らず、さまざまな微細構造材料や極限状態物質の研究にも応用可能であり、今後の高エネルギー密度^※6 科学の発展に貢献する重要な計測技術になると考えられます。

なお、本研究は、 Japan Synchrotron Radiation Research Institute（JASRI）の承認課題、Institute of Laser Engineering（大阪大学レーザー科学研究所）の共同研究課題、日本学術振興会・科学研究費補助金、SACLA 大学院生研究支援プログラム、米国National Science Foundation、およびJST SPRINGの支援のもと実施されました。

重森 啓介 教授 研究者総覧URL
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/d89d32580e19c3b8.html

【用語解説】