大竹健一站在实验室的电脑前

Ken-ichi Otake的工作专注于新材料的设计和合成。来源:《自然》杂志Irwin Wong

这是自然指数关于日本新兴早期职业研究人员的系列简介中的第五篇。

从大竹健一记事起，化学就成了他生活的一部分。小时候，他经常去父亲的实验室。他父亲是一位有机化学家，师从日本八位诺贝尔化学奖得主之一野依良治(Ryoji Noyori)。“他会给我看乐器，或者让我四处看看。我记得那个地方有一种有趣的气味，”大竹说。

当他进入京都大学读本科时，他对这门学科的兴趣重新燃起。“我记得我有多喜欢化学。我受到我父亲的影响，他对自己的工作非常自豪。他说他的工作就是他的爱好，”大竹说，他现在是母校集成细胞材料科学研究所(iCeMS)的助理教授。

Otake的工作重点是新材料的设计和合成。他对称为多孔配位聚合物(pcp)的晶体材料特别感兴趣，也被称为金属有机框架。这种材料的一个例子是颜料普鲁士蓝，自18世纪以来就被用于纺织品和彩色油漆的染色。

在过去的25年里，随着科学家们开始合成极其灵活的新型pcp，人们对聚合物的兴趣又重新燃起。

这些新型pcp的晶格结构由金属离子组成，由称为连接剂的有机分子连接，类似于一种柔韧的操场攀爬架，开放的空间充当纳米尺寸的孔隙或分子门，可以对温度波动等外部刺激做出精确控制。

“由于这种多孔结构，pcp具有非常广泛的功能，”Otake说。例如，它们可以用作催化剂，也非常适合分离化合物，尤其是一氧化碳、甲烷和氢等小气体。他说，这是因为科学家可以设计专门的聚合物，并控制孔隙大小等特征。

Otake在京都的实验室由北川Susumu领导，他是第一批展示pcp如何灵活吸附小分子的研究人员之一，是使用pcp作为分离工具的全球领导者。2022年11月，该团队与中国的合作者描述了一种分离“重水”的方法(D2O)——含有氢同位素氘(D)的水分子，也称为重氢——来自H2O (y苏et al。自然611, 289 - 302;2022）.

Otake说，这是使用pcp的一个突破。水同位素D2O和H2众所周知，O分子很难分离，因为它们的熔点和冰点、分子大小和键能几乎相同。目前的方法如蒸馏和电解是能源密集型的。大竹说:“这就是为什么净化重水通常非常昂贵的原因。”

图表显示大竹健一在2015年至2022年的出版数量和引用

来源:维

D2O有非常有用的应用。它有助于缓和核电站的反应;提高疫苗的热稳定性，并允许科学家选择性地标记某些蛋白质、核酸和其他化合物，以便在进行各种生物和化学过程时实时跟踪它们。

Otake和他的团队成功地从H2O通过对两种铜基pcp进行实验。在室温下，该结构的有机连接体“触发器”打开，从而D2O和H2O -其大小和亲和力与分子门紧密匹配-以不同的速率被吸附。

Otake说:“通过使用这种机制，我们第一次能够使用pcp分离水同位素。”如果这种方法能发展成一种实际的解决方案，可以投入日常使用，尤其是大规模使用，那么这种新方法可能比目前的分离技术更有效。

研究人员目前正在探索是否可以将其应用于类似的分离问题，包括该技术是否可以用于从工厂烟气中去除二氧化碳。Otake也热衷于探索“多孔材料的许多其他有用功能”。他希望他的工作将有助于制造有用和节能的新材料。

在2015年至2021年的化学领域自然指数中，大竹雄是日本职业早期作家中最多产的前五名之一，他说他的父亲为这一成就感到骄傲。他很感激日本政府近年来增加了对像他这样的早期职业研究人员的资助，并增加了非终身学术职位。

大竹说，尽管如此，选择攻读博士学位或进入学术界的毕业生人数正在减少。他说，提供更多的长期职位将有所帮助，但“创造一个让研究人员专注于工作的环境”同样重要，例如，通过为日托、家庭护理和个人健康提供经济援助。