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自然に学ぶ研究事例

第34回維管束植物に学ぶ材料開発
材料・デバイス開発
植物資源
植物繊維でつくる超小型マイクロコイル
植物は、優れた精密加工技術をもってしても 実現不可能な、超微細構造を容易につくりだしている。 再生可能な植物資源の形そのものを活かした、 維管束植物に学ぶ、マイクロコイル開発とは?
維管束らせん紋
維管束らせん紋

らせん状繊維の束で、すべて左巻き。植物の種類によって、直径数ミクロンから数百ミクロンのものが採取できる。写真は、ハスから採取したらせん紋(上)と、それに銀(左下)およびニッケル-リン(右下)の無電解メッキを施したもの。ハスの茎を折ると微細な白い糸をひくが、それがらせん紋である。

植物の導管と師管は、養分や水を運ぶ生命線です。その周囲にある形成層を合わせた3組織を維管束と呼びますが、コケ類、藻類、菌類以外のすべての植物に存在するものです。そして、導管の周りには、らせんや輪っか状の2次細胞壁が形成されることが知られています。植物の種類によって異なりますが、らせん構造は直径が数ミクロン〜数十ミクロン、長さは数ミリ〜数十センチに及び、すべて左巻きの丈夫なセルロース繊維なのです。それを鋳型にして電子材料をつくろうという、ユニークな研究があります。

 

高周波やマイクロ波などの電磁波は、さまざまな分野で利用されていますが、携帯電話、衛星放送など、大量の情報を早く送るために、高い周波数帯の利用が拡大しています。携帯電話では現在、800メガヘルツ帯と1.5ギガヘルツ帯がおもに使われており、たとえば1ギガの場合、なんと1秒間に波が10億回も往復しているのです。光、立体テレビなどになると、さらにギガの1000倍というテラの世界へ入っていきます。

 

電波を受発信するアンテナは、周波数が高くなるにつれて短くなります。当然、電子回路も小さくなり、それに使うコイルも超小型化が求められますが、現在の精密加工技術では直径50ミクロン程度が限界だと言われています。そこで、植物がつくる直径数ミクロンのらせん状繊維(らせん紋)を、そのままコイルとして利用できないかと考えたのです。天然の材料をそのまま使うことができれば、生産過程における環境負荷の低減にもつながります。

 

これまでの研究では、いろいろな植物から、らせん紋を取りだして銀やニッケル-リンなどのメッキを施し、電気を通すマイクロコイルがつくられました。そして、このコイル特性(インダクタンス)を評価したところ、ギガヘルツ帯の高周波に作用するという結果も得られました。作製するプロセスがユニークなだけでなく、電子素子としての可能性は高く評価されており、植物コイルを使った電子回路が、微小アンテナや電磁波吸収材料として普及する日が、そう遠くない未来にやってくるかもしれません。このような研究助成や異分野の方からの評価を励みに、植物コイルの展開研究に本気で取り組んでいます。

彌田(いよだ) 智一 教授

東京工業大学 資源化学研究所

自分の考えを信じ、研究を突き進める
私の研究室では、高分子のナノ構造材料がメインテーマで、植物の維管束らせん紋というのは、実はまったくの専門外です。キッカケは、たまたま私の研究室に大学で電気を専攻した学生がきたこと、そして電子顕微鏡が入ったことでした。合成に縁がなかったその学生に、身の回りの物質の構造を観察する課題を与えました。偶然の出会いで始まったものですが、修士1年生の後半に金属マイクロコイルができるようになってから、「電気出身のバックグランドを活かした特性をみつけてごらん」と激励したところ、半年かけて何とか工夫して特性評価に至りました。この成果は高周波電波工学の先生からも興味をもたれています。 研究にはニーズがあってやらなければいけないものと、自分が面白いと思うシーズ先行型があります。最近の学生は、シーズ型に不安を感じるようですが、自分の考えを信じ、それをドライビングフォースにオンリーワンの研究ができたら、素晴らしいことではないでしょうか。

トピックス
陸上植物が誕生したのは4億年ほど前で、そのカギを握るのが維管束という、陸上での生命維持装置の発達だと言われています。維管束をもたないコケ植物は、地表の水に直接接触しないと生きられませんが、樹木をはじめとする維管束植物は水分や栄養素を吸い上げて体全体に行きわたらせることができます。それで、高さ数十メートル以上もの巨木へと成長することも可能になったのです。 維管束内の導管(木部)は、実は、細胞が死ぬことによってできていきます。細胞の中身である原形質(核および細胞質)が失われ、上下に隣り合った細胞壁が貫通して長い管状になります。その周囲を補強するように部分的に、リグニンを含んだ2次細胞壁が形成され、その多くが、らせん状や環状(わっか)になるのです。1つの導管でらせんとわっかが見られる場合も珍しくないそうです。
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