ナノシート間の静電反発力により、構造補強されたヒドロゲル材料

理化学研究所 (理研) 創発物性科学研究センター創発ソフトマター研究グループの相田卓三グループディレクター (東京大学大学院工学系研究科教授) 、創発生体関連ソフトマター研究チームの石田康博チームリーダーと物質・材料研究機構 (NIMS) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の佐々木高義フェローらの共同研究グループは、互いに静電反発する酸化物ナノシートを磁場に対して垂直な方向に配列し、三次元のナノ網目構造を水で膨潤させたゼリー状物質「ヒドロゲル」中に閉じ込めることにより、ユニークな機械的物性が現れる材料の開発に成功しました。

電気的・磁気的な「反発力」を利用した装置に、リニアモーターや磁気ベアリングなどがあります。これらの装置では「引力」を利用するだけでは得られない特別な性能が実現されています。これに対し、セラミックスやプラスチックなどの構造材料では、有機ポリマーと無機粒子とのハイブリッドなどに代表されるように、構成要素間の「引力」を強めることで、強度を高めていました。しかし、構造材料の設計において「反発力」を利用する試みは全く行われていませんでした。一方、動物の関節軟骨は、高密度の負電荷を帯びた高分子で構成され、その静電的な「反発力」によって、高い耐荷重性と低摩擦性が実現されています。

理研とNIMSの共同研究グループは、水中に分散したイオン性の酸化チタンナノシートに磁場を加えると、全てのナノシートが磁場に対して垂直な方向に配列し、ナノシート同士が互いに面と面を向き合わせてナノシート間に巨大かつ異方的な静電反発力が現れることを発見しました。この水分散液をゲル化すると、静電反発力により内部から支えられたヒドロゲル材料が得られます。この材料は、縦方向の大きな荷重に耐えつつ、横方向には容易に変形するという、通常の材料では実現しにくい特異な機械的物性を示し、防振材料として優れた性能を発揮します。

今回の発見は、これまで全く省みられなかった「反発力」が、構造材料の機械的物性を制御する上で極めて有用であることを実証したもので、今後の構造材料の設計に大きな影響を与えると期待できます。本研究成果は、英国の科学雑誌『Nature』 (1月1日号) に掲載されます。

なお本研究は、総合科学技術・イノベーション会議の革新的研究開発推進プログラム (ImPACT) により、科学技術振興機構を通して委託されたものです。