自然に学ぶ研究事例
第91回 最終回 | バイオミネラルに学ぶ材料合成 |
珪藻は、さまざまな形状のものが存在する(中央楕円の写真)。下3枚の電子顕微鏡写真は、珪藻にならって酸化スズのナノ結晶を集積させたもの(中央)、酸化細菌にならった合成ルートにより得られた酸化マンガンナノシート(左)とオキシ水酸化鉄ナノシート(右)。珪藻、マンガン酸化細菌、鉄酸化細菌は湖沼などに多く生息している。背景の沼はイメージ。
自然界には、セラミックスである金属酸化物など、バイオミネラルを水の中でつくる生物が多数生息しています。たとえば、単細胞藻類の珪藻はシリカ(SiO2)で細胞が覆われていますが、円柱や多角柱状をはじめさまざまな形をしたものが存在し、無数の微細な穴がつくりだす模様も実に多種多様です。それは、ナノサイズの粒子が結晶のように規則的に整列せずに、不規則ではあるものの均質に集積されることで複雑な形を可能にしていると考えられています。
通常、金属酸化物の合成においては、高温の熱処理や特殊な装置などを必要とします。ところが、常温の水の中に2種類の溶液を混ぜ入れ、1日待つだけで珪藻のように不規則ながら均質にナノ粒子を集積することができるのです。これまでの研究で、二酸化スズ、二酸化チタンや酸化セリウムなどで合成できています。そして、いろいろな型やパターン鋳型などにこれらの材料を流し込むことで、さまざまな形に成形することも可能なのです。
また、マンガンや鉄などの金属酸化物のナノシートを身体にまとっている酸化細菌に着目した研究も行われています。たとえば、マンガン酸化細菌は酵素を利用してマンガンイオンを安定化させ、徐々にイオン価(酸化数)を上げてマンガン酸化物をつくっていると言われています。これにならい、酵素の代わりとなる有機分子を用いて反応を制御することで、マンガン酸化細菌や鉄酸化細菌が常温の水の中で酸化物を合成するプロセスを再現することに成功しました。これにより、従来法よりも酸化数の高い材料を容易に合成でき、酸化状態をコントロールすることで異なる酸化数の材料をつくりわけることもできます。
常温常圧で特殊な装置も必要ない合成プロセスの開発は簡単なようで難しく、発展途上の技術です。しかし、生物にならった環境負荷のない合成法は、材料生産の新たな道を開くと期待されているのです。
緒明佑哉 助教 慶應義塾大学 理工学部応用化学科 生物にならった環境に優しいものづくりを実現する |