強磁場NMRの開発

2001年、NIMS、（株）神戸製鋼所、日本電子（株）などが開発した超強磁場超伝導NMRマグネットが完成し、当時の世界記録となる、21.6テスラ（発生磁場に相当する水素の共鳴周波数は920 MHz）での運転を開始しました。最も磁場が強くなる領域の内層コイル用線材に、ブロンズ中のスズ濃度を15 wt.%まで増加したブロンズ法Ti添加Nb3Sn線材を使用したほか、加圧超流動技術を用いた極低温冷却システムを導入することにより、「振動がない」「温度が極めて均一」「圧力が極めて安定」という極限の環境を実現し、世界で初めて920 MHzでの永久電流モードでの運転を達成しました。
　当時、分析技術が科学技術の趨勢を左右するとの認識から世界的に熾烈な先端分析技術の開発競争が行われていましたが、超伝導NMRマグネットの最高性能機種が世界に先駆けて日本で開発されたことにより、NMR分析の新たな地平が開かれ、我が国の科学技術にも大きなインパクトを与えました。特に、ライフサイエンス分野では、生命活動の中心的役割を担うタンパク質の立体構造解明を目指す「タンパク3000プロジェクト」など、国家プロジェクトへの大きな推進力となりました。

2004年、NIMS、（株）神戸製鋼所 を中心とした研究チームは、3年前に達成した自らの世界記録を更新する、21.9テスラ（発生磁場に相当する水素の共鳴周波数は930 MHz）で動作する高分解能NMRマグネットの開発に成功しました。920 MHzマグネットの内層コイル線材を上回るスズ濃度16 wt.%を有するTi添加Nb3Sn線材を利用したことで、臨界電流密度が向上し、同じ電流値をより少ない断面積で通電することが可能となり、結果として、920 MHzマグネットと同じ運転電流で、930 MHzに対応する磁場21.9テスラの発生が可能になりました。
　従来のNMR分析では、主に水素や炭素などを対象とした「溶液NMR」が主流でしたが、一連の強磁場NMR技術の開発により、それまで感度や分解能の問題から観測が困難であった多くの「四極子核」についても観測が可能となり、多様な元素を対象とした「固体NMR分析」が実用化の視野に入るようになりました。NIMSではこれを契機として、文部科学省振興調整費プロジェクト「新機能材料開発に資する強磁場固体NMR」を開始し、その後の固体触媒や新規蛍光体などの構造解析の大きな進展につながりました。

2015年、NIMS、理化学研究所、（株）神戸製鋼所、（株）JEOL RESONANCEからなる研究チームは、JST「超1 GHz-NMRシステムの開発」プログラムの一環として、世界で初めて水素の共鳴周波数が1GHzを超える、24.0テスラ（発生磁場に相当する水素の共鳴周波数は1,020 MHz）の磁場を発生する超強磁場NMR装置の開発に成功しました。
　従来より、超1 GHz-NMRの実現には高温超伝導技術が不可欠とされていましたが、高温超伝導体は割れやすく加工が難しいという課題があり、長年にわたり実現が困難でした。研究チームは1988年にNIMSで開発されたBi-2223高温超伝導体の線材化など、複数の新技術を導入して開発を進めました。構想から20年、東日本大震災による完成直前の損壊やヘリウム供給危機、チームリーダーの急逝など、多くの困難を乗り越え、建設開始後8年を経て遂に世界初の超1GHz-NMR装置の完成に至りました。
　本研究は、国際磁気共鳴学会の公式ジャーナル「Journal of Magnetic Resonance」にて最多ダウンロード賞を2年連続で受賞するなど大きな反響を呼び、文部科学大臣表彰をはじめ多くの表彰を受けました。本研究は、強磁場NMRマグネットに高温超伝導線材を導入した初めての例であり、このブレークスルーが、その後に続く研究・開発への確かな第一歩となりました。本成果は、現在も世界各地で続く超強磁場NMR装置開発の「原点」と位置づけられており、開発から10年以上を経た今なお高い評価を受けています。