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塗って焼かない!「光」で,ナノ多孔質セラミックスの成膜に成功 ~微生物の滅菌・除菌への活用に期待~

 大阪大学は2020年6月1日,同大学 産業科学研究所の菅原 徹准教授らの研究グループが,株式会社日本触媒と共同で,混合した原料を塗って焼かずに多孔質セラミックス(酸化チタン:TiO2)をプラスチック基板へ直接コーティングする技術を開発したと発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会の「科研費 挑戦的萌芽研究」,文部科学省の「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」の一部として行われ,成果は米国化学会刊行ACS Applied Electronic Mate-rialsに掲載された(注).

 多くの家庭用品は性能を高めるためコーティングが施されているが,強靭なセラミックコーティングを常温で行うことは難しい.一方,TiO2の光触媒は強い酸化還元作用(超親水性)により,有機物の汚れや臭いを分解し,ウイルス,細菌などの微生物を死滅させるから,新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)の滅菌に適用する可能性がある.しかしながら,TiO2はセラミックス材料であり,一般的に焼成・焼結温度が高い(例えば300~400℃以上)ため,プラスチックなど,耐熱性の低い基板や基材への強固な接着と良質な成膜が難しい.また,多孔質構造にするとTiO2の光触媒特性は著しく向上するが,真空プロセスなどでナノ構造多孔質を成膜するには,複雑かつ高額な製造プロセスを必要とした.

 菅原准教授らは,原料の有機金属塩と安定剤(ナノ構造の形成に寄与する対カチオン)を混合した原料(前駆体溶液)をガラスやプラスチックの基板に塗布(スピンコートで厚さ約1μm)し,有機金属塩を分解することにより,基板へ直接TiO2などの金属酸化物ナノ構造(多孔体)薄膜をコーティングすることに成功した.ガラス基板の場合は加熱,プラスチック基板の場合は高強度光照射を行うと焼成が進み,基板に固着される.すなわち,高強度の白色光を照射することで,基板へ熱ダメージを与えることなく,TiO2多孔体薄膜を成膜(高強度光焼成)できた.高強度光焼成装置は,石英窓を持った窒素充填室にフラッシュランプを置き,ランプの発する高強度パルス光を石英窓から試料に照射する構成である.500℃加熱焼成法,および3.2J/cm2光焼成法で作製したナノ構造多孔体酸化チタン薄膜(化学量論的組成からずれてTiOx)はいずれも透明で,それぞれの表面/断面電子顕微鏡像に100~500nmの類似の多孔体構造を確認できた.開発された手法において,前駆体溶液は非常に粘性が低いため,インクジェットや複雑な形状の基材を前駆体溶液に直接浸漬することが可能であり,あらゆる形状と材質の基材(基板)へナノ構造多孔質TiOx薄膜をコーティングすることが可能になる.また,成膜されたナノ構造多孔質薄膜の膜厚は約1μm以下であり,mmスケール径の細孔を塞ぐことなく表面コーティングすることが可能である.さらに,ナノ多孔質薄膜は,光を効率よく乱反射するため,白色薄膜コーティング(ホワイトニング)に応用できる.

 成膜されたナノ多孔体薄膜は,病原体ウイルスをトラップし,UV(や可視光)照射によるウイルス駆除の応用,構造上の特徴によるホワイトニングなどへの応用展開が期待されるとしている.

(注)Tohru Sugahara, Leila Alipour, Yukiko Hirose, Yusufu Ekubaru, Jun-ichi Nakamura, Hironobu Ono, Nobuyuki Harada, and Katsuaki Suganuma, "Formation of Metal-Organic Decomposition Derived Nanocrystalline Structure Titanium Dioxide by Heat Sintering and Photosintering Methods for Ad-vanced Coating Process, and Its Volatile Organic Compounds' Gas-Sensing Properties", ACS Applied Electronic Materials 2020, doi: 10.1021/acsaelm.0c00237; Publication Date: May 31, 2020