題目：新規溶媒系の発見とエネルギー変換への応用
講義者：帝国大学理学部教授 黒枝誠司
日時：紀元二千六百八十六年五月十八日（月）午後四時五十分
場所：帝国大学 柏キャンパス 理学部特別講義室
学生諸君には約一ヶ月ぶりの講義となりますが、突然の告知だったにも関わらず、たくさんお集まりいただいたようで恐縮です。それでは早速始めさせて頂きます。レジュメはシラバスで告知したアドレスからダウンロードしたものを参照してください。ない人はいくつか印刷したものが前にあるので、各自取りに来るように。
・新規量子溶媒「リクイドG」の概要と発見経緯
今日のテーマは、まさに今、私たちの研究室でその基礎研究が始まったばかりの、極めて革新的な物質、「リクイドG（Liquid-Grace）」についてです。これは、先日よりメディアを賑わせている「高次空間位相変異現象（Higher-Dimensional Spatial Phase Shift, HSPS）」の副産物として、偶然にもその存在が示唆された新規量子溶媒であります。
この物質は、従来の溶媒理論では説明困難な物性を示しており、その分子式はC₁₂H₁₈O₄N₂と、一見すると平凡な有機化合物に見えて、その電気化学的特性はまさに革命的といえるものです。
◽️リクイドGの画期的な物理化学的特性
・異常な誘電率と温度安定性
リクイドGの誘電率はε r =187という異常に高い値を示しており、これは水の約2.3倍、DMSOの約4倍に相当します。さらに驚くべきことに、その温度依存性はほぼ皆無で、$-40℃から+150℃の幅広い温度範囲で±3%$以内の変動しか示しません。これは、安定した性能を保証する上で非常に重要な特性であり、このリクイドGの発見が画期的である大きな理由のひとつでもあります。
・広範な電気化学的安定性（電位窓）
さらに興味深いのは、その電気化学的安定性です。リニアスイープボルタンメトリーによる測定では、アノード分解電位が5.8V vs. Li/Li⁺、カソード分解電位が$-0.3V$ vs. Li/Li⁺という、従来の有機溶媒では到達不可能な広範な電位窓を実現しています。
DFT計算による分子軌道解析では、HOMO-LUMOギャップが8.2eVと異常に大きく、これが高い酸化還元安定性の起源となっていることが示されています。特筆すべきは、Li⁺配位時のHOMOエネルギー準位の変化が極めて小さいことで、これがリチウム金属との界面での副反応を劇的に抑制する要因となっていると推測されます。
◽️エネルギー変換への具体的な応用例と実証データ
・高性能リチウムイオン電池への応用
実際、我々が構築したLi|Liquid-Grace(1M LiPF₆)|LiFePO₄セルでは、初回クーロン効率99.7%、500サイクル後でも容量保持率$97.3%$という、驚異的なセル性能を示しました。これは現在の商用電池の約50倍の耐久性に相当するものです。
・多電子移動反応の促進
X線吸収分光法によるin-situ解析では、リクイドG分子がバナジウムイオンと特異的な配位結合を形成し、多電子移動時の構造変化を安定化していることが明らかになりました。これにより、従来不可能とされていた5電子移動反応が室温で可逆的に進行するという、画期的な現象が確認されています。
◽️リクイドGが秘める未来の可能性
・「位相変異の痕跡」と非局所的量子相関
この新規溶媒は、HSPS現象における「位相変異の痕跡」とも言うべき極めて特異な量子揺らぎを内部に保持していることが初期の分光分析で判明しており──これは、物質そのものが非局所的な量子相関を持つことを示唆しています。通常の量子力学では記述しきれない、高次元的な自由度を内包している可能性をも指摘されているものであります。
◽️潜在的な二つの応用可能性
具体的に、その潜在的可能性として、我々が注目しているのは以下の二点です。
・超高効率エネルギーキャリアとしての「量子蓄電」能力
リクイドGの最も驚異的な特性の一つは、その非線形なエネルギー応答です。通常の物質では、エネルギー入力に対する出力は線形または近似的に線形ですが、リクイドGは、特定の閾値を超えたエネルギーパルスに曝露された際、既存の新素材では到底達成し得ないレベルでのエネルギーの「非平衡蓄積」を示すことが、シミュレーションと限定的な予備実験で示されています。
これは、高次空間位相変異のエネルギーが、溶媒の内部量子状態に「閉じ込められる」かのように蓄電され、必要に応じて極めて短時間で解放されることを意味します。もしこのメカニズムが実証されれば、現在のバッテリー技術を根本から塗り替える、「量子バッテリー」という概念が現実のものとなるかもしれません。
・未知の反応経路を誘起する「位相触媒」としての機能
さらに興味深いのは、この溶媒が特定の化学反応において、既存の触媒では考えられないような新たな反応経路を誘起する可能性です。これは、リクイドGが持つ高次元的な自由度が、反応物分子の量子状態に干渉し、通常のポテンシャルエネルギー曲面では到達不可能な遷移状態への「トンネル効果」を促進することで、これまでの常識を覆す反応速度や選択性を実現するかもしれないということです。これは、まさに「位相触媒」と呼ぶべき現象であり、エネルギー変換や複雑な有機合成において、ブレークスルーをもたらす可能性を秘めています。
・課題と今後の展望
もちろん、このリクイドGは極めて不安定であり、その制御には高度な量子制御技術が不可欠です。現状では合成収率が$0.3%$と極めて低いという課題を克服しなければならず、1gの純品を得るのに約3週間を要している状況です。また、光感受性が高く、UV照射下では急速に分解が進行することも確認されています。実用化に向けては、これらの課題の解決が不可欠であると考えています。
しかし、この新規溶媒が示す現象は、物理学、化学、材料科学の既存の枠組みを超えた、全く新しい科学の領域を開拓するものです。皆さんのような若き研究者たちが、この未知なるフロンティアへ果敢に挑み、その真の可能性を解き明かしてくれることを期待しています。
文責 2026年5月20日 帝国大学 理学部 山本義貴