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世界初「光と熱で形状記憶するバイオフィルム」開発

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北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)・マテリアルサイエンス研究科の金子 達雄准教授と王 思乾博士らは、植物細胞に含まれる桂皮酸類(ポリフェノールの一種)を用いて、光と熱で多重形状記憶するバイオフィルムを開発した。

現在、消耗品に使用するにとどまっているバイオプラスチックだが、本研究により、工業製品にも使用できる機能性が期待できる。

今回の研究では、光合成微生物から高等植物まであらゆる植物細胞に含まれる桂皮酸類の光機能性に注目し、成形加工が可能、かつゴム物性を持ち合わせる高分子を世界で初めて作成した。

また、開発されたバイオフィルムは、この高分子をフィルム化したもので、生体分子から光と熱で多重形状記憶できる高機能性フィルムの作成に成功したことも世界で初めて。このバイオフィルムの特長として以下の点などが挙げられる。

  • 光メカニクス(光照射により変形する)効果があり、光の強度、向きなどを制御することで、従来の素材より複雑に形状制御することができる。
  • 熱による形状記憶効果がある。

これら二つの特長を組み合わせることで、

  • 光により記憶した形状から、温度変化による形状記憶効果で別の形状へと変化させることができる。
  • 再び加熱することで光により記憶した形状へと戻すことができる。
  • さらに、より短波長の紫外線を照射することで光変形前の初期形状に戻すことができる。

という性能が得られた。(写真参照)

変形の様子

左上から時計回りに、
(a)イチョウの葉の形状のフィルム(左上 shape A)
(b)光メカニクス効果により作成した羽ばたく白鳥の形状(右上shape B)
(c)熱を加えることで眠る白鳥の形状(右下 shape C)
(d)再び加熱することにより羽ばたく白鳥の形状に戻る(左下 shape D)

生体分子から光と熱で多重形状記憶できる高機能性フィルムの作成に成功したことは世界初となる。

将来的には、光アクチュエータ、光学-力学エネルギー変換素子などへと、さまざまな応用展開が期待でき、バイオプラスチックとしての大気中CO2削減効果も期待できるとしている。

バイオプラスチックは、光合成により固定した炭素を含む材料であり、二酸化炭素を長期間固定することが可能なため、低炭素社会構築に有効であるとされているが、現状では、そのほとんどが単純な構造のポリエステルで、機能性の点で問題があるとされている。このため用途は限られ、主に使い捨てなどの低価格帯の分野での使用にとどまり、工業製品などとして広く用いられるには至っていない。

本研究はJST(科学技術振興機構)が実施する課題達成型基礎研究の一環として、おこなわれたもの。研究成果は、ドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」のオンライン版で近く公開される予定。

【参考】
JAIST - 光と熱で形状記憶するバイオフィルムを世界で初めて開発

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