本ゼミナールは工学部の化学・生命系 3 学科(化学生命工学科、応用化学科、化学システム工学科)の研究室の協力により実施する全学体験ゼミナールで、各研究室において最先端の研究を体験し、化学・生命系分野に関する理解を深めてもらうことを目的としています。最先端研究を体験できる貴重な機会ですので、多くの皆さんの参加をお待ちしています。本ゼミは入門編ですので、高度な専門知識は必要ありません。対象クラスは 1 年理科です。

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化学システム工学科の教員が、持続可能社会を創るための化学を、基礎から分かりやすく説明します。
6人の教員によるオムニバス講義です。

社会問題を化学の力で解決に導くための基本的なシミュレーション技術や情報処理技術をMicrosoft Excel を利用した演習を通して学びます。また、計算化学・理論化学の基礎を学び、演習を通して、課題解決に向けての具体的なアプローチの仕方について学びます。

＜スケジュール＞

10/6（中山・菊池）: イントロダクション

10/13（菊池）: エネルギー問題とは？エネルギーのベストミックスとは？

日本におけるエネルギー問題について、インターネット上に公開されている統計資料等を参照しながら学ぶ。技術的側面、経済的側面、法的側面を知り、東日本震災から、近年のカーボンニュートラルへ向かう社会における日本のエネルギー問題のポイントについて理解する。
エネルギーのベストミックスを考える上で重要となる技術的・社会経済的側面について学ぶ。エネルギーシステムに社会から要求されている事項と、環境・資源制約について知り、シミュレーションの必要性について理解する。

10/20,27（菊池）: シミュレーション演習（エネルギーシステム）

代表的な幾つかの発電技術について、Microsoft Excel上に簡単なモデルを構築し、電源構成へ太陽光発電を導入することによる効果と課題を明らかにする。

11/3（菊池）: バイオマスとは？様々なバイオマス変換技術

再生可能資源としてのバイオマスについて、現状と今後の展望を学ぶ。植物資源の一部であるバイオマスを資源として用いるメリット・デメリットを知り、現在の技術的・社会経済的課題を理解する。
様々な目的製品を得るためのバイオマス変換技術について学ぶ。原料と技術の組合せにより化石資源から合成される化学物質を得られることを知り、バイオマス変換技術のシミュレーションの必要性について理解する。

11/10,24（菊池）: シミュレーション演習（バイオマス）

木質系バイオマスの利活用に関し、環境性・経済性に関するシミュレーションを行う。

12/1,8（中山）: 理論化学・計算化学とは？

コンピューターを用いて化学現象を理解・予測する分野である理論化学・計算化学について概説する。様々な社会問題解決に向けて、計算化学がどのように活用されているのかについて、情報科学との融合など最先端の研究例を紹介しながら、具体的なアプローチの仕方について学ぶ。

12/15,22,1/5,12（中山）: 量子化学演習

　Gaussianを用いた量子化学計算の演習を行う。分子の安定構造や遷移状態、反応経路の決定を行い、量子化学に基づいて化学反応の本質に関する理解を深める。

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　化学システム工学科の教員が、持続可能社会を創るための化学を、基礎から分かりやすく説明します。以下のテーマを学びます。
　「化学と社会のつながり」を考えたい学生諸君の参加を歓迎します。教員や大学院生と交流する機会も設けます。希望者には化学システム工学科研究室のバーチャル見学会も企画します（参加は自由です）。

＜スケジュール＞
10/3,17「環境問題を解決するナノ空間材料」伊與木 健太 講師

ナノ空間材料は、分子と同じくらいの大きさの空隙をその中に持っている材料です。この空隙により、分子を貯めたりふるい分けたりといったことができ、触媒や吸着材、イオン交換材等として広く世の中を支えています。今回は、中でも環境問題の解決に貢献する用途として温室効果ガスや有害物質の除去、無害化を中心にお話しします。

10/24,31「分子から見たバイオと未来医療」西川 昌輝 講師

私たちの体は、無数の分子で構成されています。これらの分子が様々に相互作用（化学反応）することで、生命活動に必要な機能が維持されたり、ときには病気を発症したりします。その化学反応の場としての生体は、遺伝子やたんぱく質、細胞、臓器からなる多階層化学システムとして捉えることが出来ます。この多階層化学システムを最先端の実験と数理モデルの組み合わせで理解し操ることで、未来の医療を実現します。生体を多階層化学システムとして捉えるという工学的アプローチの医療分野における意義や可能性を理解してもらいます。

11/7,14「電気化学、材料科学、そして社会」北田 敦 准教授

電気化学はボルタ電池から発展した学問であり、誕生から約２００年余りになる。古くは新元素の発見にも寄与した電気化学は、材料科学の一大分野として今や多くの工業技術を支えるが、これからの地球規模の問題解決にも大いに貢献すると期待されている。本講義では資源・エネルギー分野を中心に、電気化学と社会とのつながりを紹介する。

11/21,12/5「Simulation for chemical/drug manufacturing」Badr Sara 助教

Process simulation is a powerful tool for chemical engineers. In this lecture, we will discuss different applications of process simulation for energy, environment, and economic assessment purposes. Examples of different tools, software, and techniques will be presented for case studies in carbon capture, biorefineries and pharmaceutical production.

12/12,19「超臨界からグリーンケミストリーへ」秋月 信　講師

我々の生活を支える化学製品の製造において、環境調和型のプロセスを目指すグリーンケミストリーは近年必須のものとなりつつあります。環境調和型のプロセス構築に向けては、化学反応や物質移動が起きる「場」の環境負荷を低減することも重要な課題の一つです。この講義では、そのような場である超臨界流体について紹介します。水や二酸化炭素といったありふれた物質の高温高圧状態である超臨界流体の利用によって、多彩な環境負荷低減技術が実現可能であることをお話しします。

12/26, 1/16「計算化学から見た触媒と環境問題」中山 哲 教授

多数の原子・分子系に対して、量子力学の基礎方程式であるシュレディンガー方程式や古典力学のニュートン方程式をスーパーコンピューターを用いて解くことで、触媒や材料・デバイスの構造、物性、動作原理を実験を行うことなく予測することができます。
この講義では、最先端の研究内容と最近話題の機械学習を用いた触媒設計を紹介します。

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「環境・エネルギー・医療」を柱とする化学システム工学。本郷キャンパスの研究室に実際に入って、研究体験します。触媒化学とエネルギーの研究室（高鍋研）、環境浄化作用を持つ多孔性材料の研究室（大久保研・脇原研）、そして医薬品の製造プロセス設計の研究室（杉山研）が参加します。化学を基盤に、様々な知識をネットワーク状に組み合わせて、社会の実課題を解決し、あるべき姿を示す化学システム工学の真髄に触れます。

＜スケジュール＞

上記3研究室を見学し、興味のある研究室を選んで、研究体験します。最後に各研究室で体験した内容を発表して、理解度確認・まとめとします。

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私たちの体は、無数の分子で構成されています。これらの分子が様々に相互作用（化学反応）することで、生命活動に必要な機能が維持されたり、ときには病気を発症したりします。本ゼミでは、生体を化学物質が秩序だって移動し反応する多階層化学システムとして理解することを目指します。遺伝子レベルの化学的なデータの解析を体験し、これをどのように実際の診断や治療に役立てることができるかについて、工学的なアプローチから検討します。そして、生体を多階層化学システムとして捉えることの医療分野における工学的意義や可能性を理解してもらいます。

＜スケジュール＞

太田研究室で遺伝子発現情報の機会学習による解析(分子レベルの演習)を、酒井・西川研究室で肝臓が病気になる過程のシミュレーション(臓器レベルの演習)を体験します。

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　「ナノテクノロジー」を用いた病気の診断・治療は、次世代の医療技術として注目されています。髪の毛の太さの10万分の1のサイズで精密に設計されたナノ粒子が、生体という複雑なシステムの中で巧妙に働き、新たな診断・治療を可能とします。本ゼミでは、まずこのような医療の最先端技術について紹介します。また、背景にある化学に関する知識を、演習課題などを通して学びます。これらを土台とし、後半のグループワークでは高効率な診断・治療を実現するために必要なナノ粒子及びその投与システム全体の設計を、数理モデルなどを活用しながら提案してもらいます。

　本ゼミの狙いは、化学や関連分野の基礎知識をネットワーク化・システム化し、実際の課題解決に活用できるツールとして身に着けることです。教員やティーチングアシスタントの大学院生と密にやり取りするゼミを目指します。

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　化学は我々の生活を豊かにする様々な物質をつくることに貢献しています。その過程においては、地球規模の環境問題や公害問題など様々な環境問題を引き起こし、また現在でもそれらの要因となっている例も少なくありません。一方で、環境に優しい化学のものづくりを目指したグリーンケミストリーやサステナブルエンジニアリングといった考え方が生まれ、近年の環境問題への関心の高まりからそれらの重要性はさらに高まっています。
　このゼミナールでは、環境に優しいものづくりを目指す化学の考え方を学び、それを活用して、課題の発見と解決策の提案ができるようになることを目標とします。
　まず前半で、ある化学製品の合成プロセスを例として取り上げ、それが環境に優しいかどうかをどのように考え、評価し、改善策を提案するかについての基礎的な考え　方を、議論や演習を通じて身につけます。
　後半では、グループごとにテーマを設定し、対象とするものづくりの評価と改善策の提案に取り組んでもらいます。テーマについてもグループで議論して設定してもらいます。身近な化学製品に注目するのも良いですし、化学のものづくりを幅広に捉えた対象（例えばエネルギーや料理など）に設定するのでも構いません。

（授業の目標）
・環境に優しいものづくりを目指す化学の考え方に触れ、課題の発見と解決策の提案ができるようになる
・自身の考えを他人に伝え、また他人の考えを理解し、それらを課題解決等に役立てるコミュニケーションの基礎を身につける

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　化学とは物質の性質、構造ならびにこれら相互間の反応を研究する自然科学の一部門である。物質を扱う限り、化学的な視点が不可欠であることはいうまでもない。一方、現実の環境問題やエネルギー問題などに取り組もうとすると、化学の知識だけでは不十分であることがわかる。なぜならば、我々が直面している課題は、様々な要因が絡みっており、複雑な様相を呈しているからである。このようなときには、対象を要素から構成されるシステムとしてとらえる、システム的アプローチが大きな力を発揮する。化学システム工学は、これらの問題を取り扱うための方法論を提示する学問である。
　本総合科目においては、化学システム工学を基に、化学的な視点（化学反応、材料、エネルギー）に立脚しながら、我々人間社会が直面している課題（気候変動、大気・水環境、安全とリスク、人工臓器・再生医療など）を取り上げることで、エネルギー変換化学、環境化学、安全安心、医療を対象とした、現実の「マクロ」の問題にどのように取り組むかについて講義と議論を行う。

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　化学システム工学科の教員が、持続可能な未来社会を創るための化学を分かりやすく説明します。

　「化学と社会のつながり」を考えたい学生諸君の参加を歓迎します。教員や大学院生と交流する機会も設けます。希望者には本郷キャンパス・化学システム工学科研究室見学会も案内します（参加は自由です）。

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「化学システム工学のアプローチを用いた環境分野の研究の最前線を体験する」
具体的には、ナノ空間材料”ゼオライト”を取り上げ、現在の環境問題にどのように貢献しているのか、また、今後どのような貢献が期待されるかを学びます。
“ゼオライト”は、シリコン・アルミニウム・酸素から構成され、その構造の中に分子サイズの空間を持っている結晶材料です。その空間を制御することで、触媒・吸着・イオン交換などの様々な機能を持たせることができ、人類が直面する様々な環境問題への応用が期待されています。

本ゼミは、本郷キャンパスにある大久保・脇原・伊與木研究室、駒場IIキャンパスにある小倉研究室の2か所で行います。状況が許せば講義は駒場IIキャンパス、対面演習・研究室見学は本郷キャンパスで実施したいと考えており、4月の段階で詳細を決定する予定です。

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「化学システム工学のアプローチを用いたエネルギー分野の研究の最前線を体験する」
具体的には、“リチウムイオン電池”と“水の電気分解”を取り上げ、それぞれどのようなデバイス・技術なのか、エネルギー問題の解決にどのように貢献するのか、について学びます。

　リチウムイオン電池は、スマートフォンやノートパソコンなどに使われている繰り返し充電可能な電池です。最近は、電気自動車や電力貯蔵用途としての採用も進んでおり、貯蔵エネルギー量の更なる増加が求められています。本ゼミでは、まだ実用化されていない新材料を含むさまざまな電極を用いてリチウムイオン電池を作製し、その充放電特性の違いを評価します。それにより、リチウムイオン電池の構造と反応メカニズム、更なる高性能化に向けた課題について学びます。

　一方で、電気エネルギーを化学エネルギーに直接変換するプロセスとして電極触媒反応があります。電極触媒を用いることで、例えば再生可能エネルギー由来の電力を駆動力とし、水から水素を製造することができます。本ゼミでは、その水電解プロセスのうちアノード反応である酸素生成反応に焦点をあて、種々の電極触媒を実際に調製し、かつその電極としての性能を評価します。その体験を通じて、電極反応やその反応機構についての理解を深め、本プロセスの課題について学びます。

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「化学システム工学のアプローチを用いた様々な医療・バイオ研究の最前線を体験する」
以下の4つの研究テーマを全4回で体験してもらう予定です。

１）医用材料：幹細胞封入インジェクタブルハイドロゲルを体験する。
２）ナノ医療診断：発光するナノ粒子を用いたがん診断を体験する。
３）生体分子解析：色の変化で毒を検出することができるバイオセンサを作成する。
４）再生医療：幹細胞を高効率に大量培養する方法を体験する。

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　最新鋭の医薬品工場を見学し、「化学システム」としての理解を目指します。実施は5月28日（土）を予定しています。まず午前中に都内製薬工場（JR埼京線北赤羽駅徒歩約15分）を訪問し、最新・大規模製造ラインを見学します。見学する工場では、バイオ医薬品（具体的にはモノクローナル抗体と呼ばれるタンパク質からなる薬で、抗がん剤などに使われる）が製造されています。見学後、本郷キャンパスに移動し、見学内容をさらに理解するための講義とディスカッションを実施します。製薬工場のみならず、様々なプロセスを「化学システム」としてとらえるための視点を学びます。工場見学は、状況次第でオンラインでの実施もあり得ますのでご承知おきください。

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Data science has become a vital tool in today’s world. This course explores some of its applications in the chemical and pharmaceutical industries. Together we learn how data science can help design new processes and products to advance society and protect the environment. The course will involve a brief introduction to programming tools available, in addition to the mathematical and statistical background required for data analysis.

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