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ナノファイバーが拓く新しい素材の世界

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年、日本においてにわかにナノファイバーへの注目が高まっている。その状況を端的に示しているのが、政府が2014年に打ち出した日本再興戦略に記載されている、林業・水産業の成長産業化に関連したセルロースナノファイバー(CNF)のマテリアル利用促進だ。またそれより以前からNEDOによるCNF実用化の支援が行われ、すでに数多くの企業が研究開発を進め、知財を生み出している。新たな夢の素材とも言われるこの繊維の可能性はどこまで広がっているのだろうか。

技術の革新により実用化が進んだCNF

 そもそもナノファイバーとは、繊維径が1〜100nmで、長さが直径の100倍以上(アスペクト比100以上)のファイバー状物質として定義されている。このような構造物を人工製造するのはなかなか難しいが、実は天然にはありふれた物質でもある。その一例が植物の細胞壁を構成するセルロースミクロフィブリル。セルロース分子が数十本、水素結合により束ねられたナノ繊維だ。この繊維は植物の光合成によって大気中のCO2と太陽光エネルギー、そして水から作られ、年間生産量は約1,000億トンと見込まれている。これを利活用できれば、ほぼ無尽蔵ともいえる資源を手に入れることができるはずだ。一方、植物体を簡単にはナノファイバーに解きほぐすことができないのがこれまでの課題だった。

 近年の盛り上がりは、この課題を解決する技術が開発されたことによって起きている。例えば東京大学の磯貝明教授は、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシラジカル(TEMPO)触媒を用いた酸化反応によりミクロフィブリル表面をイオン化し、静電反発によって分散させる技術を開発した。また京都大学の矢野浩之教授は、疎水変性した製紙原料パルプをナノ解繊すると同時に樹脂との複合化を行うプロセスを確立した。こうした技術革新と産学連携により、製紙や化成、紡織、印刷など多様な業界の企業が実用化開発に踏み切ったのだ。

高い吸着性能が多様な用途を生みだす

 CNFは、鉄と比較して強度が5倍、重量が5分の1のため、既存材料の補強剤として有望視されている。また、圧倒的に大きな比表面積ゆえに繊維表面に多くの物質を吸着できる性質を利用した用途開発が数多く進んでいる。例えば2016年になって論文発表された例を挙げてみよう。

 まずバイオ分野への活用としては、信州大学の金准教授らがCNFをハイドロキシアパタイトでコートすることにより、ナノ繊維表面で造骨細胞がよく増殖することを示した1)。またアルバータ大学のChenらは、エレクトロスピニング法と加熱圧縮により成形したCNF不織布にセルロースゲルをコーティングしたフィルタが負電荷を持ち、それにより正電荷を持つC型肝炎ウイルスを溶液中から最大で98.68 ± 0.71%除去できることを示している2)

 また物質検出系への活用として、セルロース/TiO2/ポリアニリンのコンポジットナノファイバーが、空気中に存在する10ppmのアンモニアを検出できるセンサーとして利用できることが江南大学のWeiらのグループにより報告された3)。他に色素や吸着剤をCNFに結合することにより、鉛イオン4)や銅イオン5)の比色検出に利用可能だ。

 以上に挙げた事例は一部に過ぎず、他にも多様な応用が報告されている。この勢いは当分衰えることなく、CNFをベースとしたコンポジットナノ素材の用途開発が進んでいくと予想される。

産学の協働により材料の世界に変革を起こせ

 CNFはその細さゆえ、光学特性の面でも既存材料にない特徴を持つ。直径がX線から紫外線の波長領域にあるため、それより長い波長を持つ可視光が乱反射されにくく、「透明な紙」を作ることができるのだ。この性質と導電性ナノインクや金属ナノワイヤとの組み合わせにより、フレキシブルディスプレイや有機薄膜太陽電池への応用が進められている。また大阪大学の古賀大尚特任助教らはCNFがカーボンナノチューブ(CNT)の分散剤として働くことを発見し、CNT/CNFの水系溶液が導電性ナノインクとして利用可能なことを報告した6)。これらが実用化されれば、金属を使わない電子ペーパーなどが実現するかもしれない。

 我が国では2015年夏に、金属ナノ粒子を結合させたTEMPO酸化CNFシートを用いて高い消臭機能を実現した大人用紙おむつが、世界初のCNF利用製品として日本製紙株式会社から発売された。他にも多数の企業が開発を進めており、おそらく数年のうちに様々な用途の製品が現れてくるだろう。産学が一体となり推し進める新しい技術が、「材料の世界にイノベーションを起こした」と言われる未来に期待したい。

  【参考文献】

1) doi:10.1016/j.matlet.2016.01.010
2) doi:10.1016/j.carbpol.2016.02.011
3) doi:10.1016/j.colsurfa.2016.01.024
4) doi:10.1016/j.snb.2015.12.006
5) doi:10.1016/j.snb.2015.10.017
6) doi:10.1021/bm400075f

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