研究トピックス

ナノセルロースを自在に配列集積する 液相3Dパターニング技術を開発!

生物体内で合成されるナノセルロース※1は、セルロース分子鎖が伸び切った特殊な結晶構造を取るナノ繊維状材料であり、形状と物性の双方で異方性が大きい材料です。このナノセルロースを設計通りに配列させ、熱や光の伝わり方を高度にコントロールすることで、次世代エレクトロニクスの高性能化・省エネ化に向けた熱・光マネジメント部材への展開が期待されています。

大阪大学産業科学研究所能木研究室の上谷幸治郎助教らの研究グループは、ナノセルロースを配列させながら自在な構造に集積するための液相3Dパターニング技術を開発しました。この技術は、ナノセルロースを様々な方向に配列させた多軸配向フィルム※2のボトムアップ構築を初めて実現するもので、得られた多軸配向フィルムは、光学位相差※3と遅相軸※4が制御され、また熱の伝搬性も制御可能であることが確認されました。

今回、上谷助教らは、ナノセルロース懸濁液をシリンジ針から凝固液中に定速吐出し、流体力学的に繊維を配列させながらその吐出系をプログラムしたパターンに基づき移動させることで3次元的にパターニングし、凝固液中でナノセルロース懸濁液をゲル化させ、構造を壊さず凝固液から引き上げて乾燥させることで、プログラム通りの配向構造を持つナノセルロース100%のフィルムが成膜できることを見出しました(図1) 。

図1 液相3Dパターニング技術によるナノセルロース配向フィルムの開発コンセプト

本手法を用いることで、市松模様に配向軸が異なる多軸配向構造をプログラムし、1枚のフィルムの面内で配向軸が異なる多軸配向集積フィルムの作製に世界で初めて成功しました(図2)。

図2 開発したナノセルロース多軸配向フィルム

このフィルムには、海産動物であるホヤの外套膜から抽出したナノセルロースを用いています。直交する偏光板にフィルムを挟んで光透過性を観察したところ、明確な明暗パターンが見られ、複数の光学異方性軸があることを確認しました。より詳細には、市松模様の各ドメインにおいてほぼ同等の光学位相差が観測され、分子鎖方位に対応する遅相軸がプログラム通りの方位に配置されたことを確認しました。また、このフィルムに一方向の熱流を印加して各ドメインの温度分布を解析したところ、熱流と同じパターニング方向のドメインでは、隣接する直交方向のドメインよりも高温となり、熱が遠くまで伝搬したことを確認しました。すなわち、この液相3Dパターニング技術によってフィルムの光学ならびに伝熱特性の異方性をプログラム通りに設計できることを実証しました。

本技術は、ナノセルロースを多軸配列したフィルムの製造技術を開発し、光と熱を同時に制御可能であることを示した世界初の研究成果であり、光学・伝熱マネジメントが可能な次世代高性能フィルム部材の幅広い設計指針を与え、ナノセルロースを自在に配向させた高度材料や機能紙の開発を可能にします。

本研究成果は、2020年5月18日(月)に国際科学誌「Nanomaterials」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:“Checkered films of multiaxis oriented nanocelluloses by liquid-phase three- dimensional patterning”
著者名:Kojiro Uetani, Hirotaka Koga, and Masaya Nogi
DOI 番号:10.3390/nano10050958

本研究の詳細はこちら
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200520_2

大阪大学産業科学研究所能木研究室
http://www.nogimasaya.com/

上谷幸治郎助教webサイト
http://www.uetanikojiro.com/

※1 ナノセルロース
長く湾曲したセルロースナノファイバーや、結晶領域のみを化学的に抽出した短く棒状のセルロースクリスタルの総称。いずれも、植物やバクテリア、ホヤなど天然に生物が合成するセルロースナノ繊維を指します。

※2 多軸配向フィルム
1枚のフィルム面内で複数の配向軸を併せ持つフィルム。特に、今回開発したフィルムは、複数の配向部位を隣り合った水平部位に配置できることが大きな特長です。

※3 光学位相差
光学異方性のある材料中を通過する光が2方向に異なる屈折を生じ、それぞれの光の振動に生じる位相差のことで、リタデーションとも呼ばれます。光学位相差が大きいほど材料の異方性(複屈折)が大きいことを表します。

※4 遅相軸
複屈折材料を通過する光の位相差が遅れ、光速が遅くなる軸方向のことで。材料中の高屈折率方向に対応し、ナノセルロースの場合は繊維の長さ方向(すなわちセルロースの分子鎖方向)に相当します。

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