この布は数分で致死性の神経ガスを破壊します

ノースウェスタン大学のオマール・ファルハ研究室では、化学者とチームがアメリカ陸軍と共同で、一風変わった工芸プロジェクトに取り組んでいます。粉末と液体を混ぜて絵の具のような粘度にし、綿布のサンプルをその液体に浸し、ベージュ色の布を乾燥させます。この工程を通して、人類が知る最も恐ろしい毒物である神経ガスを迅速に中和できる布が作られているのです。

これらの生地は、化学兵器から着用者をより効果的に保護する軍服を設計するための10年にわたる取り組みにおける最新の成果です。ファルハ氏の生地は、VXとソマン（サリンのより毒性の強い類似物質）という神経ガスを特に破壊します。これらの化学物質は人間の中枢神経系を混乱させ、実質的に体細胞間の情報伝達を阻害します。また、摂取することなく速やかに死に至ることもあります。例えば2017年、北朝鮮の独裁者、金正恩の異母兄である金正男が、クアラルンプール空港で2人の女性に暗殺されました。正男はVXを顔に塗ったとされています。正男はVXにさらされてから2時間以内に死亡しました。

現在、米兵は神経ガスを吸収するが、分解はしない制服を着用している。目標は、その両方を備えた制服の開発だと、米陸軍の研究員で今回の研究には関わっていない化学者のジャレッド・デコステ氏は述べている。デコステ氏は、神経ガスではないものの、皮膚、目、呼吸器に重度の火傷を負わせる可能性のある化学兵器であるマスタードガスを中和する同様の繊維を開発している。彼の研究グループはすでに、この対マスタード技術をガスマスクの試作品に組み込んでいる。

これらの神経ガスは、その悪質さにもかかわらず、ビーカーに溶液を注ぎ込めば簡単に中和できます。通常の水ではこれらの毒素は数日かけてゆっくりと分解されますが、化学者は触媒と呼ばれる特殊な物質を加えることで、反応時間を数分に短縮することができます。

ファラ氏の課題は、乾いた布地上でこの反応を巧みに制御することだった。彼のチームは、布地に一つの重要な成分、MOF-808（MOFは「咳」の韻を踏む）と呼ばれるくしゃくしゃの結晶分子をコーティングした。この分子は本質的に周囲の空気から水分を集める。MOF-808分子の形状と化学的性質のため、水蒸気はMOF-808分子上に凝縮しやすい。MOF-808が神経剤と接触すると、分子に付着した水分が毒素を分解し、同時にMOF-808の結晶全体に散在するジルコニウム原子が触媒として働き、神経剤の分解を促進する。湿度が30%以上の場所でこの布地を着用すれば、数分で神経剤を分解するのに十分な水分を集めることができる。

ファルハ氏のチームは、現役兵士にとってかなり現実的な条件下でこの布の有効性をテストしました。例えば、ディーゼル燃料や人工汗で布を汚してみました。これらの汚染物質は布の性能を著しく低下させることはありませんでした。実際、汗をかいた布は清潔な布よりも優れた性能を示しました。これはおそらく、余分な水分が含まれているためでしょう。

MOF-808は、金属有機構造体として知られるより大きなクラスの分子に属し、化学者は化学反応をより正確に制御するためにこれを使用し始めている。大まかに言えば、これらの構造体は、金属原子が有機分子の鎖に結合してケージ状の結晶構造を形成したもので、粉末状にすることができる。化学者はこれらの構造の特性を調整して、水などの特定の分子を引き付けることができる。これらの分子は、コンパクトな空間に収められた広い表面、つまり折りたたまれたアコーディオンのようなものと考えることができる。この広い表面積により、例えばMOF-808はその大きさに比べて多くの水を集めることが可能になる。スタンフォード大学の化学者Yuzhang Li氏によると、10セント硬貨大の金属有機構造体だけでも、フットボール場約2つ分の表面積を占めるという。

これらの分子がケージ内に閉じ込められると、化学者はそれらを望み通りに相互作用させるように制御することができます。研究者たちは5万種類以上の金属有機構造体を設計しており、それぞれが特定の化学反応の段階となる可能性があります。特に化学者は、これらのカスタマイズされたケージをガス貯蔵に利用したいと考えています。例えば、石炭火力発電所で発生する二酸化炭素を捕捉したり、燃料電池用の水素ガスを貯蔵したりすることが考えられます。

ファラ氏の布地コーティングには、ポリエチレンイミンと呼ばれるポリマーも使用されており、これが金属有機構造体を布地に均一に接着します。しかし、この均一な層を実現できたのは、ある意味偶然でした。化学者たちは金属有機構造体がどのように表面に付着するのかを詳細に解明しておらず、分子を接着させる最適な方法もまだ解明できていません。

リー氏は、この疑問への答えとなる可能性のある金属有機構造体（MOF）の撮影技術を開発した。リー氏の手法では、MOFに化学反応を起こさせ、それを液体窒素に浸す。そして、顕微鏡下でMOFを撮影する。この手法はクライオ電子顕微鏡法と呼ばれ、生物学における同様の技術を応用したものである。この手法では化学反応を時間的に凍結し、化学者が反応をフレームごとに観察することができる。リー氏のチームはこの技術を用いて、MOF内に閉じ込められた二酸化炭素分子を画像化した。これらのより詳細な画像は、特定の化学反応をより効率的に行う構造体の設計につながる可能性があるとリー氏は述べている。

ファラ氏の開発した布地が目的の化学反応を起こした今、チームは着用性について検討を開始する。兵士たちがこの布地の優れた防御力を活用できるようにするには、チームは次に、それを衣服として機能させる必要がある。ファラ氏にとって、それはコーティングが剥がれ落ちるかどうか、そして布地の通気性はどうかといった疑問に答えることを意味する。

ファルハ氏のような基礎研究プロジェクトは、これらの制服の製造に必要な科学的基盤の大部分をすでに構築していると、彼は言う。研究者たちはデザインの微調整やさらなる試験、そして生産規模の拡大方法の検討に追われているが、ファルハ氏は、軍は数年以内にこれらの化学的に高度な制服を採用できるようになると考えている。

しかし、金属有機構造体の力は軍服だけにとどまりません。特に、化学者は目的の用途に合わせて分子を自由に設計することができます。金属原子と様々な有機化合物を自由に組み合わせることで、独自の形状を作り出すことができます。まるで世界最小のレゴブロックで遊ぶようなものです。「元素周期表の全てから選べるのです」とファルハ氏は言います。防毒服はほんの始まりに過ぎません。

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