材料科学の革新は、私たちが日常的に利用する製品をより強く、より安全に、そしてより持続可能なものにする上で極めて重要な役割を果たしています。当社の「2025年に注目すべき新興トレンド」記事で指摘したように、材料科学の進歩は、消費財、建築、建設、エネルギーなど、あらゆる分野で改善を促進しています。これらの進歩の中には、つい最近までSFの世界の話だと思われていたものもありますが、科学的なブレイクスルーが現実のものとなり、私たちの生活や仕事の空間、そして使用する製品をより良いものへと変えています。
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4月24日に開催されたウェビナーパネルの録画をご覧ください。ダウ社のハロルド・ブーン博士に加え、CASのレイトン・ジョーンズとジャネット・サッソが、科学的進歩というより広い文脈の中でこれらのトレンドについて議論しています。
ワイヤレス通信などを向上させるメタマテリアル
計算設計とシミュレーション、3Dプリンティング、リソグラフィ、エッチング技術の進歩により、自然界には存在しない特性を持つ人工的に設計された材料「メタマテリアル」の製造が可能になり、幅広い用途で活用されています。メタマテリアルのユニークな特性は、その構造の配列によって生み出されます。科学者がこれらの構造を設計・操作する技術が向上したことで、新たな用途が切り拓かれています。
金属、誘電体、半導体、ポリマー、セラミックス、ナノ材料、バイオ材料、複合材料が、メタマテリアルを構成する基本的な材料です。科学者はその構造を精密に調整することで、負の屈折率、電磁放射の制御、電気的・磁気的誘電率の調整、音波や地震波の制御といった特性を持つメタマテリアルを作り出すことができます。
多くの場合ナノスケールでの変化を伴うこれらの特性は、5Gネットワークの改善など、メタマテリアルの新たな用途を促進しています。5Gで使用されるミリ波は到達距離が短く、建物によって遮られやすいという課題があります。アンテナに組み込まれたメタマテリアルは、アンテナの効率と帯域幅を向上させることで受信感度を高めることができます。再構成可能なインテリジェントサーフェス（RIS）は、5G信号を反射・屈折させることで、建物内での受信状態を改善します。メタマテリアルによって5Gの受信環境が向上すれば、基地局建設のコストを削減し、誰もが高速通信を利用しやすくなります。
メタマテリアルのその他の注目すべき新しい応用例は以下の通りです。
- 地震対策：メタマテリアルは地震波の強度を減衰させ、構造物への伝播を抑えることで、損傷から建物を守ることができます。この用途には、鋼鉄や炭素繊維強化ポリマーのような二重勾配メタマテリアルが効果的に使用されています。建設にこれらのメタマテリアルを取り入れることで、地震帯における重要な安全性の向上が期待できます。
- 医療用画像診断：メタマテリアルはMRI装置の信号対雑音比（S/N比）を向上させ、より高解像度な画像を実現します。また、他の臓器が不要な電磁放射を吸収するのを防ぐシールドの役割も果たします。非磁性真鍮ワイヤーで作られたメタサーフェスは、MRI検査におけるスキャナーの感度、S/N比、画像解像度を向上させることが実証されています。
- 透明マント：さまざまなメタマテリアルの電磁的特性を精密に制御することで、光波を物体の周囲に迂回させ、そこに物体が存在しないかのような印象を与えることができます。例えば、ディラックコーン分散を持つ誘電体フォトニック結晶を用いた高透明メタサーフェスを使用することで、不可能と思われていた透明マントが現実のものとなりつつあります。
- エネルギーハーベスティング：メタマテリアルのユニークな特性は、電磁波、音波、さらには機械的振動など、周囲に存在するさまざまな形態のエネルギーを電気エネルギーに変換できます。ポリフッ化ビニリデン（PVDF）ベースのメタマテリアルは、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する能力があることが判明しており、振動を遮断するという付加的な利点も備えています。
建物の脱炭素化を促進する複合材料
地球温暖化が進むにつれ、室内環境を快適に保つための空調需要が高まっています。同時に、太陽光や風力といった再生可能エネルギーの利用拡大には、日照や風況に左右されず、需要のピーク時にエネルギー供給を最大化できる蓄電技術が不可欠です。
熱エネルギーシステム（熱電池とも呼ばれます）は、建物の冷暖房の効率と熱伝導率を向上させ、再生可能エネルギーの活用を最大化するために、商用化が加速しています。これらのシステムの主要コンポーネントは、熱エネルギー貯蔵媒体、断熱材、熱交換器です。
蓄熱媒体の例としては、水、レンガやコンクリート、セラミックス、グラファイト、金属酸化物、あるいは溶融塩などがあり、これらはすべて高い熱容量を備えています。また、これらのシステムでは、固体から液体への変化を利用して熱を蓄える相変化材料（PCM）を使用することも可能です。パラフィンワックス、塩水和物、脂肪酸、ポリエチレングリコール、グラウバー塩などが、蓄熱に使用される相変化材料の例です。さらに、水分の放出といった可逆的な化学反応を利用して熱を蓄える材料も使用されます。これらのプロセスに用いられる革新的な熱化学材料には、ゼオライト、金属水素化物、水酸化物などがあります。
また、空調ソリューションとして水ベースの蓄熱材料を利用した熱エネルギー貯蔵システムも見られます。これらのシステムは、電気料金がピークに達する時間帯に最小限の電力で建物を冷却できるため、快適性を維持しながらエネルギーコストを削減できます。相変化材料は現在、給湯器や、高温を必要とする産業プロセス向けの熱エネルギー貯蔵システムにも活用されています。これらは、排出削減に苦慮している重工業の脱炭素化を支援する可能性を秘めています。
断熱材だけではない：新たな用途で注目されるエアロゲル
「凍った煙」とも呼ばれるエアロゲルは、1931年に発見された、高い気孔率を持つ軽量素材です。近年の新たな発見により、この素材の耐久性が向上し、より幅広い用途への適用が可能になりました。エアロゲルは、ゲルの液体成分を気体に置き換えることで、ゲルの構造を維持したまま合成されます。これは、現在では、100nm未満の細孔を持ち、最大99.8%が空隙である堅牢かつ超軽量な樹状微細構造を形成できる新しい乾燥手法によって実現されています。
シリカエアロゲルは、断熱材や吸音材として広く利用されてきました。しかし、合成ポリマーエアロゲルはシリカ系エアロゲルよりも機械的強度に優れており、エネルギー貯蔵や変換用途により適しています。バイオベースのポリマーエアロゲルは、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用途向けに設計することも可能です。さらに、MXeneや金属有機構造体（MOF）を用いたエアロゲル複合材料は、従来のスーパーキャパシタを凌駕する優れた導電性、機械的堅牢性、および比容量を示します。
断熱材以外のエアロゲルの新たな用途には、以下のようなものがあります。
- 生物医学工学：エアロゲルがドラッグデリバリー、創傷治癒剤、抗酸化剤、組織足場などに利用されています。
- エネルギー貯蔵：二次電池、スーパーキャパシタ、燃料電池など、幅広い用途で活用されています。
- 環境浄化：エアロゲルの高い気孔率、軽量性、環境への優しさを活かし、油流出事故の浄化などに適しています。
The number of aerogel characteristics and applications is truly remarkable. You might even see aerogels in your sunscreen, as the cosmetics industry increasingly utilizes these materials as UV protection agents. Composite aerogels of TiO2-silica have photoprotective properties, and adding them to sunscreen formulations increases the SPF factor beyond what conventional formulations can reach today. They are also water-resistant, have a matte effect on the skin, and do not leave a white cast after application.
排出量を削減する建設用スマート材料
建物の運用は世界のエネルギー消費の30%を占めています。建設プロセス自体も大量の排出源となっており、コンクリートは世界の排出量の約8%を占め、水に次いで世界で2番目に多く使用されている材料です。より長持ちし、製造時の電力や熱消費を抑えられる革新的な材料を使用することで、建設業界は脱炭素化のペースを加速させることができます。さらに、既存の建物の冷暖房効率を高める材料は、建物セクター全体の排出量を削減する上で重要となります。
自己修復コンクリートとエレクトロクロミック窓は、スマート建材の重要な例であり、理論から実用段階へと移行しつつあります。これらは、建設のような排出削減が困難なセクターの排出抑制に貢献します。コンクリートは本来ひび割れが生じやすく、補修や交換には多大な排出を伴います。修復剤やカプセル化技術の革新により、自己修復コンクリートが実現しています。例えば、Basilisk社は、酸素と水に触れると石灰石を生成する3種類の細菌（バチルス・サブティリス、バチルス・シュードフィルマス、およびバチルス・スフェリカス）を使用しています。この混合物を含むコンクリートにひび割れが生じると、環境中の酸素と水分が細菌の石灰石生成を促し、ひび割れを修復します。シリコンベースの技術革新も、撥水性コンクリートの革新を推進しています。
建設プロセス以外でも、新しい材料科学の応用が建物の生涯炭素排出量の改善に貢献しています。エレクトロクロミック窓フィルムを用いたスマートウィンドウ技術は、光を遮断することで建物のエネルギー消費を削減できます。三酸化タングステンや酸化ニッケルは、エレクトロクロミック窓に使用される材料の一部です。高分子分散型液晶（PDLC）フィルムに電場をかけると、分子の配列が整列して透明になり、光を遮断または透過させることで、不透明または透明な窓を実現します。
より優れた持続可能な消費者製品を実現する竹
竹の利用は数世紀前から行われてきましたが、近年の加工・エンジニアリング技術の進歩により、竹が純粋なポリマーに代わる持続可能な素材として、複数の産業で活用できることが証明されています。より持続可能な素材への需要が高まる中、竹製品の市場は2025年の約730億ドルから2034年には1,110億ドル以上に成長すると予測されています。
竹は持続可能な資源です。樹木よりも成長が早く、継続的に再生し、多くの樹木よりも多くの炭素を吸収します。機械的特性、特に強度を向上させるために、生分解性ではない合成ポリマーと組み合わされることがよくあります。竹繊維と熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の複合材料は、元のポリマーと同等かそれ以上の引張強度、弾性率、伸びなどの機械的特性を示すことが複合材料の研究で明らかになっています。特に、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性ポリマーと竹繊維から作られた新しい複合材料は、優れた機械的特性を発揮します。脱水後にシリコンやポリエステルなどのポリマーを浸透させるプラスチネーション技術も、竹の耐久性を高めています。
最近の研究では、ポリ乳酸（PLA）に竹繊維粉末とシリカエアロゲルを組み合わせると、ポリ乳酸単体と比較して、引張強度やヤング率などの機械的特性が向上し、水蒸気や酸素に対するバリア効果も改善されることが示されています。これらの向上した機械的特性は、持続可能なパッケージングへの応用に期待されています。
竹の普及における継続的な課題は、供給と需要のギャップです。しかし、組織培養やインビトロ増殖といったバイオテクノロジーの進歩により、資源の過剰利用を避けつつ、竹の生産をより効率的かつ確実にすることが可能になっています。竹製品の市場が家具、パッケージング、パーソナルケア製品、衣料品へと拡大する中、この素材は、より持続可能な製品を消費者に提供する上でますます重要になるでしょう。
性能、安全性、快適性を向上させる熱適応型ファブリック
高温下で運動するアスリートであれ、危険な状況に直面する消防士であれ、衣類は私たちが快適かつ安全に、最高のパフォーマンスを発揮するために重要な役割を果たします。熱適応型テキスタイルの革新は、ポリマー、エアロゲル、スマート複合材料のおかげで、これらの能力を支えています。
今日の適応型ファブリックは、断熱、水分管理、動的な細孔サイズ制御、感温変色、放射熱収集を利用して、さまざまな環境条件に対して衣類がより柔軟に対応できるようにしています。最新の進歩には以下が含まれます。
- 光変調：新しいファブリックは、温度変動に応じて吸収する光の量を変化させることができます。グラフェン、グラフェン・ガラス繊維ファブリック、ポリアクリロニトリルナノファイバーが有効であることが証明されています。光変調ファブリックは審美的に優れており、光療法やバイタルサインの検出に使用できます。
- 熱応答性材料：形状記憶ポリマー、親水性ポリマー、およびマイクロカプセル化された相変化材料は、温度変動に応じて形状や構造を変化させます。これらはファブリックの細孔を通過する空気と水分の量を制御し、着用者の加熱や冷却を行います。
- 感温変色材料：液晶、顔料、感温変色ポリマーを使用し、これらの材料は温度に応じて色を変化させ、ファブリックが吸収する光の量を調整します。これらのファブリックは、明るい色に変化して着用者から熱を反射したり、軍事用の迷彩として色を変えたりすることができます。
- 導電性ポリマー：ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、およびその誘導体であるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)などのポリマーは、熱と電気を伝導できます。これらは体熱を効果的に放散することで温度調節を助けます。銀ナノワイヤや窒化ホウ素などの材料も、ファブリックからの効果的な放熱を通じて温度を調節できます。
CASでは、化学、物理学、工学の交差点における材料科学の新たな革新の動向を常に把握しています。科学情報の最大の人間によるキュレーションリポジトリであるCAS Content CollectionTMを通じて、世界中の最新のジャーナルや特許公報を継続的に分析しています。これにより、最新のイノベーションや、どのブレークスルーが商業化に至っているかについて、独自の洞察を得ています。
