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合成・材料

凍らせて,混ぜて,溶かすだけ 高い強度と成型性を持つ新しいゲル材料を開発 ~身近なバイオマス素材を利用した汎用性の高い材料開発に新展開~

 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(原子力機構),地方独立行政法人東京都立産業技術研究センターおよび東京大学は2020年10月30日,原子力機構 物質科学研究センターの関根 由莉奈研究員を筆頭とする研究チームが,東京都立産業技術研究センターと,東京大学大学院理学系研究科との共同研究により,木材から得られるセロースナノファイバーとレモンに含まれるクエン酸,そして水から構成される,環境にやさしい高強度ゲル材料「凍結架橋セルロースナノファイバーゲル」の開発に成功したことを発表した.本成果は,国際学術誌ACS Applied Polymer Materialsのオンライン公開版に掲載された(注).

 近年,環境問題から,バイオマス由来のセルロースなどの素材を活用した生分解性材料に関心が高まっている.なかでも,環境浄化や医療応用には,生分解性ゲル材料が有用である.一般的にセルロースだけでは様々な用途に耐える丈夫な材料の作製は困難であった.そのため,プラスチックや金属などの無機物と複合させて材料の強度を向上させてきた.しかしこうした材料は,環境中で完全に分解することはできない.

 セルロースナノファイバーの一種であるカルボキシメチルセルロース(以下CMCと呼ぶ)ナノファイバーは,食品や化粧品の増粘剤として利用されている安全性の高い素材であり,カルボキシル基を持つため,他の物質,例えばクエン酸と反応させると水素結合を介してゲルを形成する.しかし不均一な構造のため,水中から持ち上げただけでも壊れてしまうほど強度が弱かった.

 本研究グループは,物質の強度の向上にはミクロなレベルで構造制御することが必要であると考え,その手段として,砂糖や食塩などの不揮発性物質を含んだ水を冷やすと,0℃以下でも氷晶の周りに超濃厚に凝縮した砂糖水が,氷の成長を阻害するため0℃でも凍結しないという凝固点降下現象を利用し,その凝縮構造によりゲルのミクロ構造の制御ができると考えた.実験は,-20℃の環境で凍結させたCMCナノファイバー溶液にクエン酸溶液を混ぜて,-4℃の環境で溶かし,氷が溶けると同時に白く不透明なハイドロゲルが形成されることを確認した(凍結架橋セルロースナノファイバーゲル).作製したゲルの保水性は,全体の重さの約95%もの水を含有すること,圧縮強度測定では,水を放出しながら10分の1以下の厚みにつぶれるが,圧縮負荷を除荷すると再び吸水して元どおりの形状に復元する.2トンの圧縮負荷にも耐えた.走査型電子顕微鏡観察の結果,薄い壁に囲まれた数百μmの細孔構造が観察された.すなわち,溶液の凍結時に,氷の周囲に凝集したCMCナノファイバー溶液とクエン酸が反応した結果,水素結合による強固な三次元ネットワーク構造を形成し,高強度なゲルになったと考えられる.

 この材料の応用として,水中汚染物質の吸着・環境浄化を想定し,合成色素を含む溶液に作製したゲルを入れたところ,数分でほとんど全ての色素をゲルが吸着して,透明な水を得ることができた.将来の応用分野として,プラスチック代替の緩衝材,ソフトロボット材料,再生医療材料などへの展開も期待される.

(註)Y. Sekine, T. Nankawa, S. Yunoki, T. Sugita, H. Nakagawa & T. Yamada, "Eco-friendly carbox-ymethyl cellulose nanofiber hydrogels prepared via freeze crosslinking and their applications", ACS Applied Polymer Materials 2020, DOI 10.1021/acsapm.0c00831; Publication Date: October 29, 2020