日本原子力研究開発機構

東京大学大学院理学系研究科

大阪大学放射線科学基盤機構

東京大学アイソトープ総合センター

概要

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 システム計算科学センター シミュレーション技術開発室の山口瑛子研究員、奥村雅彦研究主幹、先端基礎研究センター 耐環境性機能材料科学研究グループの田中万也研究主幹、物質科学研究センターの矢板毅副センター長、大阪大学放射線科学基盤機構附属ラジオアイソトープ総合センターの吉村崇教授、及び東京大学大学院理学系研究科/アイソトープ総合センター長の高橋嘉夫教授らは、水溶液中にイオンとして溶けたラジウム(ラジウムイオン: Ra²⁺)と、その周辺に存在する水分子の構造(水和構造)について、分子レベルの観測に世界で初めて成功しました。さらに、シミュレー ションを用いて、Ra²⁺は同族元素に比べて水分子を束縛する力が弱く、水和構造が変化しやすいことを明らかにしました。

放射性元素であるラジウムは1898 年にキュリー夫妻によって発見されました。現在では、ラジウムと同族元素のカルシウムが形成する骨にラジウムが集まる性質を活かし、骨に転移したがんを放射線で治療する薬に使われています。また、ラジウムはウランなどの壊変により生成されるため、鉱物の放射年代測定に利用されます。一方で、シェールガス 3) などの地下資源の掘削時に環境を汚染する可能性が指摘されています。そのため、ラジウムの化学的性質の解明は急務です。しかし、ラジウム自体が強い放射能を持つだけでなく、ラジウムの壊変により気体の放射性元素ラドンが生成し、内部被ばくの危険性が高まりま す。これらの危険性から、高濃度ラジウムを必要とする分子レベルの実験はこれまで実施できず、発見から 100 年以上経ってもラジウムの化学的性質は未解明でした。

本研究では、ラドンの漏洩を防ぐ測定容器を開発し、高濃度ラジウム試料を安全に作製・運搬・測定する手法を確立しました。さらに世界最高性能の放射光実験施設の一つであるSPring-8 を用いることで、世界初となる Ra²⁺水和構造の分子レベル測定に成功しました。また、スーパーコンピューターを用いて高精度なシミュレーションを行い、実験結果を再現した 上で、Ra²⁺は同族元素よりも周辺の水分子を束縛する力が弱く、水和構造が変化しやすいことも明らかにしました。これらの結果から、Ra²⁺は同族元素と比べて、水から離れ生体内や環境中に取り込まれやすいことが示唆されました。

本研究により、放射光実験とシミュレーションによるラジウムの分子レベルの化学研究手法を確立しました。今後、本手法を基により複雑な化学反応の研究に応用することで、がん治療薬の作用機序解明や新薬開発、土壌の年代推定法の精緻化、環境問題の解決等、社会的に重要な課題の解決へ繋がることが期待されます。本研究成果は、8 月 19 日付（日本時間）の米国 Cell Press 社「iScience 誌」に掲載されました。

 

図：本研究の概要図

 

詳細については、日本原子力研究開発機構 のホームページをご覧ください。