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生体組織を参考に透明で強靭なエラストマー複合材料を開発 ~未来の生活に有用な材料:高度先進医療やソフトロボットに応用可能~

 名古屋大学,国立研究開発法人理化学研究所(理研),ユニチカ株式会社(ユニチカ)は2020年2月28日,名古屋大学大学院工学研究科の竹岡 敬和准教授らの研究グループが,理研放射光科学研究センターの星野 大樹研究員およびユニチカなどと共同で,透明な生体組織を参考に,架橋高分子中に直径約100nmの単分散シリカ微粒子を高濃度で分散させると,光学的には無色透明となり,力学的には高靭性化することを発見した,と発表した.本研究の成果は,アメリカ化学会刊行ACS Materials Letters誌に掲載された(注).

 力学特性を改良したエラストマー(弾性を持った高分子)は日常生活用品のみならず,さまざまな分野で用いられている.今後も,高度先進医療,ソフトロボットなどの分野でキーマテリアルになると予測され,特に,光学的で透明で優れた力学特性を示すエラストマーの開発は重要な課題である.エラストマーの力学特性改良には,微粒子充填剤と複合化することが知られている.その代表例がタイヤで,架橋した生ゴムなどにカーボンブラックやシリカ微粒子を複合させた強靭なエラストマーで作られている.しかし,このようなエラストマーは着色しており,これまで,透明で強靭なエラストマーは実現されていない.研究グループは,眼球を保護する強靭さも備えた角膜がムコ多糖と水を主成分とするゲルと,屈折率がムコ多糖より高いコラーゲン繊維からできているにも拘わらず,可視域において無色透明であることに着目した.角膜が無色透明であるのは,コラーゲン繊維が紫外光の波長サイズで秩序をもった配列をするため,散乱された可視光は,干渉により相殺されて実質的に光を散乱しない状態になるためである.

 研究グループが角膜に倣って開発した複合エラストマーは,無色透明な低架橋高分子(di(ethylene glycol)methyl ether methacrylate (MEO2MA))中に粒子径110nmの単分散シリカ微粒子が,秩序ある状態で分散した微細構造を有している.透明性はシリカ粒子量と関係があり,シリカ量10vol%程度でもっとも濁りが強くなる.実験によると,シリカ粒子を0,9.5,15および34vol%添加したエラストマーの波長420nmにおける透過率は,それぞれ100%,80%,86%,93%程度であった.目視では,シリカ量9.5vol%と15vol%のエラストマーは白濁するが,34vol%では無色透明に見える.シリカ濃度が高い透明な複合エラストマーでは,シリカ微粒子が秩序を持った状態で分散していることが,大型放射光施設SPring-8の放射光を用いた観察(小角X線散乱:SAXS)で確認された.さらに,研究グループは,硬いシリカ微粒子と柔らかい架橋高分子との界面における相互作用で,複合エラストマーの弾性率と伸張性が増大する,すなわち靭性が向上することを発見した.シリカ微粒子無添加と34vol%添加のエラストマーを比較すると,破断強度は約7倍,破断伸度は約1.5倍となり,シリカ微粒子を含有する複合エラストマーの破壊エネルギーは,シリカ粒子を含まない系の約13.5倍となった.

 従来の複合エラストマーでは,剛性と伸張性とがトレードオフの関係にあったが,本研究はそれを打ち破り,将来の透明,高靭性複合エラストマー調製の指針となることが期待されるという.

(注)K. Watanabe, E. Miwa, F. Asai, T. Seki, K. Urayama, T. Nakatani, S. Fujinami, T. Hoshino, M. Takata, C. Liu, K. Mayumi, K. Ito and Y. Takeoka, "Highly Transparent and Tough Filler Composite Elastomer Inspired by Cornea", ACS Materials Letters, 2020, Publication Date: February 21, 2020, doi: 10.1021/acsmaterialslett.9b00520