Executive Summary
- エアロゲルは、90～99.8%が空隙で、密度が0.0011 g/cm³という超軽量かつ高多孔質のナノ構造材料です。1931年にサミュエル・キスラーによって初めて開発されたこの素材は、極めて低い熱伝導率、低い音速、低い誘電率、そして高い比表面積を一つの材料で兼ね備えています。
- エアロゲルは、無機系（シリカ、金属酸化物、カルコゲナイド）、有機系（カーボン、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリマー）、複合系（混合酸化物、MOFベース、Mxeneベース）の3つの主要なクラスに分類されます。それぞれの組成が異なる機械的、熱的、電子的特性を引き出し、従来の断熱材という枠を大きく超えて応用分野を広げています。
- 2013年以降、特許活動は急増しており、いくつかのエアロゲルクラスでは特許件数が論文数を上回るか同等になっており、商業的な勢いを示しています。世界のエアロゲル市場は、2025年から2035年にかけて年平均成長率（CAGR）約17%で成長すると予測されています。
多孔質で超軽量なエアロゲルは、ゲルから液体成分をガスに置き換えることで合成されるナノ構造材料です。最初のエアロゲル 開発 は、1931年にキスラーによってシリカから報告されました。1990年代には、NASAが宇宙船、宇宙服、ブランケットの断熱材として使用していました。それ以来、エアロゲルは海底システム、石油精製所、工業用パイプライン、建物、冷蔵庫、ジャケットや靴の中敷きといった衣類などの断熱材として採用されています。
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これらの材料に対する新しい乾燥手法により、100 nm未満の細孔と90～99.8%の空隙からなる、堅牢で超軽量な樹状微細構造が形成されます。これらの細孔は空気が通り抜けるには小さすぎるため、エアロゲルは非常に効果的な断熱材となります。
材料加工の革新により、現在では多様な特性を持つエアロゲルが開発されており、断熱材以外の用途、例えばエネルギー貯蔵、触媒、薬物送達などへの活用が期待されています。近年の進歩により、より耐久性の高い選択肢が登場しており、構造的完全性と熱特性の向上に焦点を当てた研究が進められています。また、エアロゲルは 示します 非粉末材料としては高い比表面積、拡散のための短い平均自由行程、低い熱伝導率、低い音速、低い屈折率、低い誘電率、そして極めて低い密度（0.0011～約0.5 g/cm³の範囲）を特徴としています。
私たちは CAS コンテンツコレクションTM（科学情報の人間によるキュレーションとしては世界最大規模のコレクション）を調査し、これらのブレイクスルーがどこで 材料科学 が最も大きな影響を与えています。
エアロゲルは「凍った煙」でしょうか？
初期に開発されたエアロゲルの一部であるシリカエアロゲルは、「凍った煙」として知られていました。これは、その軽量で超低密度な特性によるものです。しかし、すべてのエアロゲルは非常に軽量ですが、その愛称が示唆するように煙から作られているわけではありません。
エアロゲルには、その組成に基づいて主に3つのタイプがあります。 に基づいて 無機エアロゲル、有機エアロゲル、そしてエアロゲル複合材料です。無機エアロゲルには、シリカエアロゲルだけでなく、金属酸化物エアロゲルやカルコゲナイドエアロゲルも含まれ、これらは通常、金属アルコキシドや金属塩といった無機前駆体材料から合成されます。有機エアロゲルには、カーボンエアロゲル、カーボンナノチューブエアロゲル、グラフェンエアロゲル、ポリマーエアロゲルが含まれ、これらはすべてフェノールホルムアルデヒド樹脂のような有機前駆体材料から合成されます。複合エアロゲルには、混合酸化物エアロゲル、エアロゲル-金属有機構造体 (MOF) 複合材料、エアロゲル-マキセン複合材料、および無機・有機前駆体を組み合わせて合成されたエアロゲルが含まれます。
CAS コンテンツのコレクションを分析した結果、過去20年間でエアロゲルに関連する出版物が大幅に増加していることがわかりました。2013年以降、特許数は一貫して増加しており、年によってはジャーナル（論文）の数を上回ることもあり、この分野に対する商業的な関心が非常に高いことを示しています（図1を参照）。
特定の種類のエアロゲルについては、特許数がジャーナルを上回っているものもあります。例えば、長年市場に出ている無機エアロゲルや、より新しい合成ポリマーエアロゲルなどがそうです（図2を参照）。最も新しいグループであるエアロゲル複合材料は、関連する出版物がまだ少なく、現時点ではジャーナルが特許出版数をわずかに上回っています。
また、CAS Content Collection™にインデックスされているジャーナル出版物および特許の中から、上位20の物質を分析しました（図3）。これらは図2に示された文献のボリュームと密接に関連しています。これらの物質は、特定のクラスのエアロゲル合成に最も多く使用されている材料です。
さまざまな種類のエアロゲルの探索
エアロゲル市場は、 予測 されています。2025年から2035年の予測期間を通じて、年平均成長率（CAGR）は約17%になると見込まれています。開発が進められているこれらの異なるエアロゲルとはどのようなもので、どのように使用される可能性があるのでしょうか。
ポリマーエアロゲル： 合成ポリマー 合成ポリマー エアロゲルの特性はシリカベースのエアロゲルと非常によく似ており、その優れた断熱性と機械的強度により、航空宇宙、エネルギー貯蔵および変換、ならびに防弾チョッキ、膝パッド、スポーツ用品などの保護具への応用に適しています。生分解性およびバイオベースのポリマーの開発も 勢いを増して おり、これらの材料はエアロゲル材料の持続可能な代替品となります。機能化の可能性により、組織工学、再生医療、ドラッグデリバリーシステムなどの生物医学的応用に 適した 特定の特性が付与されます。
無機エアロゲル: 金属酸化物エアロゲル は、 無機イオン結晶構造が持つ固有の特性により、極めて優れた熱化学的安定性を示し、触媒用途に適しています。同様に、カルコゲナイドエアロゲルは主に高品質な半導体材料で構成されており、 有望な 材料として、センサー、LED、太陽光発電、光触媒、電極触媒といった高度なアプリケーションへの応用が期待されています。
複合エアロゲル： MXeneやMOF（金属有機構造体）をベースとしたエアロゲル複合材料は近年の開発成果であり、現在も研究段階にあります。特に、2D MXeneシートを3D多孔質エアロゲルへ戦略的に 統合 することで、従来のスーパーキャパシタ電極材料を凌駕する優れた電気伝導性、機械的堅牢性、および高い比容量が実現されます。その柔軟性と軽量性から、ポータブル電子機器やフレキシブル電子機器にも理想的です。
MOFベースのエアロゲルの 合成 は、MOFのマイクロ/メソ細孔とエアロゲルのメソ/マクロ細孔を統合することで材料科学に革命をもたらし、形態学的、機械的、物理化学的に優れた特性を持つ構造体を生み出しました。これらの先端材料は、スーパーキャパシタとしての用途に加え、触媒、薬物送達、センシング、エネルギー貯蔵、水処理、環境浄化などのプロセスですでに数多く活用されています。
エアロゲルのユニークな用途
エアロゲルがエネルギー貯蔵、触媒、およびさまざまな生物医学的用途において大きな可能性を秘めていることは明らかです。また、化粧品業界や音響（防音）業界では、学術論文よりも特許公開件数の方が多いという点も注目に値し、これらの分野におけるエアロゲルの商業化が進んでいることを示しています（図4を参照）。
音波の速度と振幅を減衰させる能力を持つエアロゲルは、防音断熱材として使用できます。化粧品分野では、クリームのテカリ防止剤として機能します。TiO 2の複合エアロゲルシリカ は、その光保護特性により日焼け止めに添加されており、従来の製剤では達成できないレベルまでSPFを高めることができます。こうした用途は、消費財を含むあらゆる種類の製品を改善するエアロゲルの可能性を示しています。
商業化に向けた課題の克服
近年の多くの進歩にもかかわらず、エアロゲルには依然として機械的強度の低さや壊れやすい質感といった欠点があり、用途が制限される可能性があります。複合エアロゲルやポリマーエアロゲルの開発によりこれらの問題に対処しつつありますが、より広く普及させるためにはさらなる取り組みが必要です。
その製造は依然として複雑で時間のかかるプロセスであり、ラボスケールでの製造は達成されているものの、品質や特性を損なうことなく工業レベルの生産へとスケールアップすることは 大きな障害となっています。また、研究者がエアロゲルに関連する製造コストを削減する方法を見つけることも極めて重要であり、これはスケールの問題に関連する課題です。
エアロゲル市場はまだ初期段階にあるため、いくつかの課題が残っているのは当然のことです。しかし、これらの材料の未来は明るいと言えます。科学者がその潜在能力を最大限に活用し続けるにつれて、エアロゲルはエネルギーから医療に至るまで、より印象的な役割を果たすようになるでしょう。
