上智大学 理工学部 物質生命理工学科 教員紹介｜南部伸孝教授の理論化学・分子シミュレーション研究とは

こんにちは！KOSSUN教育ラボ教務担当（上智大学推薦入試サポート）です。

今回のテーマは、

「上智大学 理工学部 物質生命理工学科の南部伸孝教授と、コンピューターを使って化学反応を解き明かす理論化学の研究」です。

化学の研究というと、実験室で薬品を混ぜたり、反応を観察したりする姿を思い浮かべる人が多いかもしれません。しかし、化学にはコンピューターの中で分子や原子の動きを計算し、目では見えない反応の仕組みを調べる研究もあります。南部伸孝教授は、こうした理論化学・計算化学の立場から、化学反応や機能性分子の研究に取り組んでいます。

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南部伸孝教授の専門は理論化学・計算化学

南部教授は、上智大学 理工学部 物質生命理工学科の教授です。上智大学公式サイトでは、主な研究テーマとして「化学反応の理論的解明と機能分子設計」が紹介されています。

研究分野は理論化学、計算化学、機能分子の解明と設計で、研究キーワードには光化学、量子現象、非断熱遷移、トンネリング、ab initio分子動力学シミュレーションなどが挙げられています。学位は慶應義塾大学で取得した博士（理学）です。

実験によって観測された現象について、「原子や電子の世界では何が起きているのか」をコンピューター上の仮想実験から明らかにすることが、研究の大きな特徴です。

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分子の動きをコンピューターの中で再現する

化学反応では、原子同士の結びつきが変化したり、電子の状態が変わったりします。しかし、こうした変化は非常に小さく、非常に短い時間の中で起こるため、そのすべてを直接観察することは簡単ではありません。

そこで南部教授は、量子力学をもとにした計算によって、分子が時間とともにどのように動き、どのように反応するのかをシミュレーションしています。

これは、実際の実験を置き換えるというよりも、実験だけでは見えにくい部分を理論から補い、「なぜその結果になるのか」を理解するための方法です。

高校では化学反応式から反応前後の物質を考えることが多いですが、大学では、その途中で原子や電子がどのように動いているのかまで追いかけます。

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光を受けた分子では何が起こる？

南部教授が特に研究している現象の一つが、光を吸収した分子の変化です。

分子が光を吸収すると、電子は通常とは異なるエネルギー状態へ移ります。その後、電子と原子核の動きが複雑に影響し合いながら、分子の構造や性質が変化することがあります。

こうした現象を理解するときに重要になるのが「非断熱遷移」です。高校生には少し難しい言葉ですが、簡単にいえば、電子の状態と原子の動きを切り離して考えることが難しくなる現象です。

南部教授は、このような光化学反応を理論的に扱う方法を研究し、分子が光を受けた直後にどのような変化をするのかを明らかにしようとしています。

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フォトクロミック分子も研究対象

南部教授の研究テーマには、フォトクロミック現象の理論的解明もあります。

フォトクロミック現象とは、光を当てることで分子構造が変化し、それに伴って色や光の吸収特性などが変わる現象です。さらに別の光や条件によって、元の状態へ戻る分子もあります。

こうした分子について、なぜ光を受けると構造が変わるのか、どの経路を通って反応が進むのかをコンピューターで調べることで、分子の機能をより深く理解できます。

南部教授の研究は、すでに存在する分子の性質を説明するだけでなく、将来的にどのような構造を持たせれば目的の性質を示すのかを考える「分子設計」にもつながっています。

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環境や生命科学にも広がる計算化学

南部教授の理論化学的な手法は、一つの分野だけに使われるものではありません。上智大学公式サイトでは、生体分子の光応答、物質循環の解析、生体調整ペプチドなど、幅広いテーマが研究課題として紹介されています。

また、上智大学の教員紹介では、環境問題に関係する大気中の物質について、理論化学を使って研究していることも紹介されています。

つまり、コンピューターを使った分子シミュレーションは、化学反応そのものを研究するだけでなく、材料、生命、環境など異なる分野の問題を分子レベルから考える手段になります。

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実験と計算は対立するものではない

理論化学というと、「実験をしない化学」と考えてしまうかもしれません。しかし、実際の研究では実験と計算が互いを補い合うことがあります。

実験で興味深い現象が見つかったとき、シミュレーションを使って分子レベルの理由を考えることができます。反対に、計算から予測した分子の性質を実験で確かめることもできます。

南部教授の2025年度の研究でも、他の研究室と共同して、固体電解質や造影剤などの物理化学的性質を分子動力学シミュレーションによって調べる研究が行われています。

物質生命理工学科では、実験だけ、計算だけに限定せず、一つの現象をさまざまな方法から考えられる点も特徴です。

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高校の数学・化学・情報はどうつながる？

南部教授の研究には、化学だけでなく数学や物理、情報の知識も関係します。

たとえば、高校化学で学ぶ分子構造やエネルギー、物理で学ぶ波やエネルギー、数学で学ぶ関数や微分、情報で学ぶコンピューターの考え方などが、大学では量子化学や分子シミュレーションの基礎へつながっていきます。

ただし、「数学が得意だから理論化学に向いている」と単純に決まるわけではありません。「見えない分子の世界では何が起こっているのだろう」と疑問を持ち、数式や計算を使って確かめてみたいという興味も大切です。

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推薦入試では「化学が好き」の先まで考えよう

上智大学 理工学部 物質生命理工学科の推薦入試を考えている場合、「化学が好きです」「コンピューターに興味があります」というところから、一歩踏み込んでみましょう。

たとえば、「化学反応の途中で分子はどのように動いているのか知りたい」「光を受けた分子の変化を理論的に説明してみたい」「実験では観察しにくい現象をコンピューターで調べる方法に興味がある」といった形で問いを具体化できます。

高校生の段階で量子力学や高度なプログラミングを習得している必要はありません。授業で理解しにくかった現象について調べたり、シミュレーションや計算科学という研究方法を知ったりする中で、「大学では何をもっと知りたいのか」を考えることが大切です。

南部教授の研究を知ると、化学は実験室の中だけで行われる学問ではないことが分かります。目には見えない電子や原子の動きを、理論とコンピューターから「観える化」する研究もあります。高校で学んでいる化学、数学、物理、情報が大学でどのようにつながるのか、ぜひ自分の疑問から調べてみてください。

もし一人で整理するのが難しいと感じたら、KOSSUN教育ラボの無料個別相談も活用してみてください。

※本記事は、記事作成時点で上智大学公式サイト等に掲載されている情報を確認したうえで作成しています。入試制度、出願資格、試験内容、日程、カリキュラム、教員の所属・研究分野などは変更される場合があります。受験を検討している方は、必ず上智大学公式サイトおよび対象年度の最新の入学試験要項をご自身で確認してください。

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