“バイオマス” と “水” から高付加価値材料を創出

最近、温暖化など地球規模での問題がニュースになっています。これまでのように大量かつ安価に "もの" を作るだけでなく、環境に優しい "ものづくり" が求められています。これに対して、私たちは "超臨界水" と "高温高圧水" というちょっと変わった "水" を用いた化学の研究を行っています。"水" を使って、有効利用されずに捨てられている木材・魚鱗・イカ中骨などの地域資源バイオマスから、付加価値の高い化学製品 (食品や医薬品) をつくることが目的です。例えば、イカ中骨などに含まれるキチンからナノファイバーなどの機能性素材をつくっています。

≪研究から広がる未来≫

化学というと色々な薬品を使うイメージがあるかもしれませんが、それを環境に優しい "水" に置き換えることが私たちの目的です。水は、普通の圧力 (1気圧) では、100℃で沸騰しますが、圧力をかけると100℃以上でも液体状態を保ちます。温度、圧力を操作することで水の性質 (pH [ピーエッチ] など) もコントロールできます。つまり、酸・アルカリを使わなくてもpHが変えられます。この "水" を使って、薬品をできるだけ使わずに、様々な化学製品を作る方法を実現します。

ほのかに青白い、セルロースナノファイバーと水だけから出来たハイドロゲル

化学というと色々な薬品を使うイメージがあると思います。化学反応によって何かを作る時には、原子や分子などの組み合わせを変える必要があります。原子や分子は何らかの化学結合で繋がっているので、それを一度切って (結合を弱めて)、また別のものと繋げる (結合を強める) ことが必要です。結合を弱めたり強めたりすることは、目的の原子や分子の周りに「別の物質」を置くことで可能です。この「別の物質」を置くことが、色々な薬品を使うということになります。では、他の方法はないのでしょうか？ 自然界には、実験室にあるような薬品はほとんど存在せず、"水"を中心とした化学反応が行われています。その理由は、"水"の機能を最大限利用して「別の物質」をできるだけ使わない仕組みになっているからです。温度や圧力などをコントロールすることで、"水"の様々な性質 (極性やpH) を変えることができます。将来的には、自然の仕組みに学んだ"水"を使った化学にシフトしていくことも考えられます。

化学・材料学科の長田 光正 准教授は、"水"の機能を活用した化学を探求しています。木はセルロースという高分子が集まったナノファイバーという細い繊維から成り立っています。このセルロースのナノファイバーが"水"に分散した液体を、温度160℃、圧力0.6 MPaで30分程度処理すると、写真のような色々な形状を維持したハイドロゲルになります。これはナノファイバーの周りの"水"の環境を適切にコントロールすることで、ナノファイバー同士の間に働く力を変えて、部分的にナノファイバー同士を接着しているためです。このように薬品を使わなくても、"水"の温度や圧力を操作することで、原子や分子の間の力を制御する研究を行っています。

(掲載期間 平成31年 1・2月)