研究紹介
多機能でサステイナブルな積層型ナノファイバーを新たに開発
環境中で分解できるプラスチック、汚染物質フィルターなどへ応用も
発表のポイント
- 多機能でサステイナブルな新規素材である積層型ナノファイバーを開発しました。
- マイナス電荷を持つサイズの揃った極薄シート状物質であるナノシートと、プラス電荷を持つカチオン物質を組み合わせることによって積層型ナノファイバーを得ることができます。ナノシートとカチオン物質の組み合わせは多種多様なので機能や特性を幅広く調整でき、環境中で分解する高性能プラスチック材料や汚染物質を除去する触媒やフィルターなどへの応用が期待されます。
- 積層型ナノファイバーの形成と分解は、物質の出入りや温度変化などによって制御可能であり、リサイクルや環境中での無害化にも適しています。
発表概要
この研究成果は米国科学振興協会(AAAS)の学術誌Science Advancesに、6月6日付で掲載されました。
研究の背景
研究の内容
この様子は、透過型電子顕微鏡3)や小角X線散乱測定4)などによって、明らかにされました。透過型電子顕微鏡は文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ事業で東京大学に設置されている装置を利用しました。合成直後のサンプルでは、菱形のナノシートが観察されました(図1左)。濃縮したサンプルをクライオ型透過型電子顕微鏡(図1右)で観察すると、ナノシートが1.7 nm間隔で積層して形成された長さ数十から数百nm、太さ十nmのファイバーが直接観察されました。小角X線散乱法による観察でも、ナノシートが積層してファイバー形状になったことが示されました。クロスニコル観察5)では、カラフルな干渉色を伴った模様が見えることから、積層型ナノファイバーが自発配向した液晶状態になっていることがわかりました(図2)。
このようなメカニズムが明らかになってきたので、他の方法でナノシート間に弱い引力を作用させても、積層型ナノファイバーやバンドルを形成できると予想されました。そこで、ナノシートが水に分散した分散液にエタノールを加えていくと、ナノシート間の引力が増加し、長細いバンドルが形成しました。カチオン物質としてテトラブチルアンモニウムを用いた系では、温度変化によってバンドルが形成・分解しました(図5)。
今後の展望
炭素繊維(カーボン)などに代表されるナノファイバー材料は、超高強度で軽量のプラスチック材料など、私たちの生活に直結する多くの機能素材を得るために利用されています。しかし、要求される複数の機能や特性を持つナノファイバーを自在に作り出すことは難しく、合成には多量のエネルギーが必要で、また分解やリサイクルが困難などの問題がありました。今回開発した機能性ナノファイバーは、マイナス電荷を持つナノシートとプラス電荷をもつカチオン種が交互に積層して形成されます。様々なナノシートとカチオンの組み合わせで形成できるため、多様な化学組成と機能を持つナノファイバー材料の合成が期待されます。また、積層型ナノファイバーが方向を揃えた状態(液晶状態)になることも見出されており、この特性を利用することで、生物の様な階層的な構造を持つ材料の合成も可能です。さらに、積層型ナノファイバーは外部からの刺激や環境の変化によって形成させたり分解させたりできるため、リサイクルも容易で環境中で無害化させることも可能です。これらの特性から、積層型ナノファイバーは、サステイナビリティを備えたフィルター、触媒、高強度プラスチックなどへの応用が期待されます。
論文情報
- 〈雑誌〉 Science Advances
- 〈題名〉 Monodisperse nanosheet mesophases (単分散ナノシートのメゾフェーズ)
- 〈著者〉 Nobuyoshi Miyamoto, Momoka Miyoshi, Riki Kato, Yuji Nakashima, Hiroyuki Iwano, and Takashi Kato
著者情報
- 宮元展義(福岡工業大学工学部、福岡工業大学大学院工学研究科)
- 三好桃佳(福岡工業大学大学院工学研究科)
- 加藤利喜(東京大学大学院工学系研究科(研究当時)、福岡工業大学大学院工学研究科)
- 中嶌裕二(福岡工業大学大学院工学研究科)
- 岩野広幸(福岡工業大学大学院工学研究科)
- 加藤隆史(東京大学大学院工学系研究科、信州大学先鋭材料研究所)
研究助成
用語解説
1) 階層的な構造:小さな物質が集まって大きな集合体を形成し、その集合体がさらに集まって大きな集合体を形成する、ということを繰り返した場合に、各空間スケールで制御された構造を持つ物質となります。このような構造を階層的な構造と言います。例えば、人間の体も階層構造で、体は細胞が集まって構成され、細胞はタンパク質やDNAなどから構成され、それらはさらに炭素原子などから構成されています。
2) コロイド粒子:溶媒に分散した数nmから数μm程度の大きさの粒子。
3) 透過型電子顕微鏡:真空中のサンプルに電子ビームを照射し、その透過像を観察する顕微鏡。
4) 小角X線散乱測定:物質にX線を照射したときの散乱の様子を解析することによって、微粒子の形や構造を調べる測定法。
5) クロスニコル観察:2枚の直交した偏光板の間にサンプルを置いて観察する手法。液晶のサンプルをこのように観察した場合、様々な「干渉色」を伴った模様が観察される。
お問い合わせ
<研究内容に関すること>
福岡工業大学工学部生命環境化学科 准教授 宮元展義
電話: 092-606-3977 e-mail: miyamoto@fit.ac.jp
<取材に関すること>
福岡工業大学 入試広報課 池田航大
電話: 092-606-0607 e-mail: ko-ikeda@fit.ac.jp
東京大学大学院工学系研究科 広報室
電話: 03-5841-0235 e-mail: kouhou@pr.t.u-tokyo.ac.jp