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安全なシリカのみからなる三色の顔料 ~異なるサイズのナノ粒子を組み合わせてあらゆる色の発色が可能に~

 名古屋大学は2020年7月6日,同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,安全な素材である非結晶性シリカのみを用いて調製した3色の顔料の組み合わせで,あらゆる色の発色が可能になることを見出した,と発表した.本研究はAGCリサーチコラボレーション制度の元に行われ,成果は米国化学会発行のACS Applied Nano Materials電子版に掲載された(注).

 これからの社会では環境に配慮したものづくりが求められ,人体や環境に有害な化学物質は安全な代替品への転換が必要とされている.われわれの身の回りを彩り豊かにしてくれる顔料や染料においても,水銀,カドミウム,六価クロムなどの有害な重金属や,発がん性懸念のあるアゾ染料の一部で使用規制が始まっている.

 一般に良く知られている染料や顔料は,可視光に含まれるさまざまな波長の光の一部もしくは大部分を吸収し,残りの波長の光を散乱や透過させることで発色している.染料や顔料が吸収する光の波長は,物質を構成する原子やイオンの電子配置(化学構造)により決定される.一方,光の吸収を伴うことのない発色も知られており,可視光の波長より小さな微粒子の分散液が青色を呈するレイリー散乱は,散乱光の強度が入射光の波長の4乗に反比例し,短波長の光ほど強く散乱される現象である.レイリー散乱とは別に,光の波長サイズの微細な秩序構造の存在により,特定の波長光が選択的に干渉して強められる発色も知られており,構造色と呼ばれている.レイリー散乱は色調の選択範囲が狭いが,構造色は鮮やかな発色が可能で,自然界でも多くの動植物が利用している.構造色は発色原理が材料の化学構造に依存しないため材料の選択範囲が広く,退色性にも優れるという.

 研究グループは構造色による顔料に着目し,粒径の揃ったシリカ微粒子を一次粒子として平均粒子径約20μmの球状コロイド結晶(ナノ粒子が結晶格子状に配列した物質)を作製した.コロイド結晶は,シリカ微粒子の水懸濁液(シリカコロイド液)にヘキサデカンと界面活性剤を加えw/oエマルション(油中水滴乳濁液)とし,水を除去,乾燥することで得られる.粒子径221nm,249nm,291nmのシリカ微粒子を用いて作られたコロイド結晶は,ブラッグ反射により,それぞれ495nm(青:B),562nm(緑:G),647nm(赤:R)の光を反射した.このコロイド結晶は,光の三原色RGBの3要素となり,これらを組合せてあらゆる色の表現が可能で,研究グループはこれをフォトニック顔料と名付けている.用いられた非結晶性シリカ微粒子は安全性が高く,化粧品や食品添加物などにも利用されている材料である.本研究により,今後,安全な素材のみを用いて多様な色を表現できる色材の開発が可能になると期待される.

(注)Miki Sakai, Hyunji Kim, Yusuke Arai, Takuya Teratani, Youhei Kawai, Yuichi Kuwahara, Keisuke Abe, Yasuhiro Kuwana, Katsuji Ikeda, and Kazuhiko Yamada, Yukikazu Takeoka, "Monodisperse Silica Nanoparticle-Carbon Black Composite Microspheres as Photonic Pigments", ACS Applied Nano Materials, 2020, doi: 10.1021/acsanm.0c01366; Publication Date: June 15, 2020