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 眼鏡のフレームやハードコンタクトレンズ、CDのケースなどの原料である有機ガラス。一度割れてしまえば、どれだけ力を加えて破断面を合わせても、元の形には戻らない。ところが、その常識を覆す新たな技術が登場した。東京大学大学院工学系研究科教授の相田卓三氏と、同研究科学術支援専門職員の柳沢佑氏らの研究グループが2017年末に開発した世界初の「自己修復ガラス」である。

 割れた有機ガラスの破断面同士を室温で圧着するだけで、ものの20秒で元通りにくっつく()。加熱も溶融も不要だ。

図 割れてもくっつく有機ガラス「自己修復ガラス」
図 割れてもくっつく有機ガラス「自己修復ガラス」
厚さは2mm。(a)2つに割れた状態。(b)破断面を室温で圧着し、20秒程度維持する。(c)破断面がくっついて修復する。 (出所:東京大学)
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 有機ガラスは、一般的な窓ガラスに使われる無機ガラスとは異なる。アクリル樹脂のような有機化合物で生成した透明な物質である。

 ゲル状やゴム状の軟らかい材料であれば、破断面を押し付けておくと融合して再利用が可能になる例は、10年ほど前から報告されていた。ただし、眼鏡のフレームのように硬い材料が自己修復することはこれまでの常識ではあり得なかった。「硬いという物性と、くっつくという性能は相反する。科学的には両方を満足させるデザインはないと言われていたが、研究の過程で偶然見つけた」と相田氏は振り返る。

 自己修復材というと、基本的にはあらかじめ何かの材料を埋め込んでおき、それを修復材として使う手法が一般的だ。ところが、相田氏らが開発した自己修復材は、他の材料の力に頼っていない。「ポリマーそのものの性質を使っている点が、これまでの自己修復材とは大きく違う」と柳沢氏は説明する。

疲労耐性の向上も可能に

 自己修復ガラスの主成分は、高分子材料であるポリエーテルチオ尿素だ。

 これは偶然の産物だった。実は、相田氏らは薬理作用などを期待できる、分子レベルの生物的な接着剤である「モレキュラーグルー」の研究に着手していた。研究は順調で、目標とする最終生成物の一歩手前まで進んだ時だった。出来上がった中間生成物に、研究者としての嗅覚が働いたのだ。

 「乾かしてカチカチになった中間生成物がたまたま割れて、押し付けるとつながるということに気がついた」と相田氏は言う。これがまさに、ポリエーテルチオ尿素だった。その面白い物性に興味を持った相田氏らは、ポリエーテルチオ尿素の材料研究に方向転換した。

 一般に、高分子は分子鎖が長いほど硬く、短いほど軟らかくてくっつく機能を持つ。「ポリエーテルチオ尿素の分子鎖は比較的短いため、くっつきやすい。一方で分子同士が水素結合で可逆的につながっているので、ある条件では長い分子のように振る舞わせることができ、硬くなる」(相田氏)。

 通常、高分子材料は過熱・溶融すれば融合する。ただし材料の変形も伴うため、再利用は難しい。加えて、高温の熱が必要なので、応急的にその場で修復するのは困難だ。

 これに対し、新しい技術を使えば、その場でしばらく押し付けるだけで外観は元に戻る。数時間圧着し続ければ、機械的強度も破損前と同等の値にまで回復することも証明した。破断した後にくっつけられるという性能は、疲労耐性の向上にもつながる。

 「目に見えないクラックが入ったときに自動的に修復しようとする。疲労の蓄積を避けて長く使えるというメリットもある」と柳沢氏は話す。この特性を生かし、既存のポリマーにポリエーテルチオ尿素を混ぜることで、疲労耐性を高める用途などが考えられる。