東大,割れても自己修復するガラスを開発

東京大学の研究グループは,世界初の自己修復ガラスを開発した(ニュースリリース)。

他の多くの構造材料と同様に,窓ガラスの損傷や破壊は不可逆的で,加熱溶融しないかぎり再利用できない。破断したガラスが容易に修復できるようにできる「自己修復」は資源に限りがある地球上で持続可能な社会を構築していく上で重要な概念となる。

我々の体には,損傷部位を自発的になおす自己修復機能がある。10年ほど前から,ある種のゴムやゲルのような柔らかい材料が人の組織のように自己修復することが報告されるようになってきた。それらの自己修復材料が破断した場合,二つの破断面を互いに押し付けておくと破断面が融合し,そのまま再利用が可能になる。

ゴムやゲルを形成している重要な成分は,小分子が一次元に長く繋がった高分子物質。柔らかい組織を形成している高分子鎖は組織内部で活発に熱運動をしているため,押し付けられた破断面の間で,高分子鎖が互いに相互貫入して絡み合い,非損傷部位と見分けがつかない組織を再生する。

対照的に,ガラスのような固い材料を構成している高分子鎖は熱運動が著しく遅いため,破損前の組織を再構築できなかった。

今回開発したガラスは,ポリエーテルチオ尿素と呼ばれる高分子材料からなる。研究グループは,この高分子物質を生体分子の表面に強く接着する「分子糊」と名付けた高分子物質を合成するための中間体として設計したが,その過程で,固く,さらさらした手触りの表面をしていながら,破断面を互いに押し付けているとそれらが融合する特別な性質を示すことに気がついた。

この材料の弾性率(>1GPa),力学強度(32MPa)がともに著しく大きいことを考えると,この性質は驚くべきことだという。温度・圧縮応力を精密に制御できる装置を用いて,この材料の修復能を評価したところ,室温における数時間の圧着で,機械的強度が破損前と同等の値にまで回復した。

この自己修復性ガラスに類似の構造を有する複数種の高分子物質を合成し,その力学強度や修復能を評価した。その結果(1)比較的短い高分子鎖を用いて局所的な運動性を保証する必要がある,(2)短い高分子鎖で高い力学強度を実現するためにそれらを水素結合で高密度に架橋する必要がある,(3)水素結合による高密度な架橋が結晶化を誘起してはならない,(4)水素結合の交換を容易にする構造が重要,という4つの条件が自己修復ガラスの設計に重要であることが明らかになった。

これは室温で破断面を押し付けておくと修復・再利用が可能になる初めてのガラス素材であり,持続可能な社会への貢献が期待されるとしている。

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