発表者
伊藤 智樹 (東京大学 大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻)
大長 一帆 (東京大学 大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻、現所属:金沢大学 ナノ生命科学研究所)
藤澤 秀次 (東京大学 大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻)
齋藤 継之 (東京大学 大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻)
小林 加代子(京都大学 大学院農学研究科 森林科学専攻)

発表のポイント

  • セルロースナノファイバー(CNF)の表面には、原子レベルの「凹み」が生じていることを発見した。
  • 「凹み」は、CNFがナノレベルに解きほぐされる際に、一部のセルロース分子鎖が表面から剥がれ落ちるために生じていることが示唆された。
  • 「凹み」がCNFの折れ曲りや切断といった更なる欠陥の起点となっていることを提案した。
  • 本研究で得られた知見は、欠陥のない理想的なCNF材料を生産するための足掛かりとなることが期待される。

発表内容

図1:CNFの概要 (拡大画像↗)


図2:CNFの欠陥構造の発生機構(拡大画像↗)


 木質資源は地球上で最も豊富なバイオマスであり、その固形分の約50%をセルロースが占めます。低炭素社会の実現に向けバイオマスの高度利用が急務であり、セルロースの利活用は重要です。近年注目の活用例として セルロースナノファイバー (CNF) が挙げられます。CNF は、樹木の細胞壁(パルプ)を化学・機械処理によりナノレベルまで解きほぐして得られる繊維状の材料です(図 1)。CNF は1)軽くて強い、2)熱しても膨張しない、3)絶縁性で誘電率が高い、などの優れた特性を兼ね備えています。これらの優れた特性から、CNFは低炭素社会における高機能材料として期待されています。しかし、CNFの社会実装はいまだ限定的です。その原因の一つに、CNF材料の性能が、CNF1本の優れた特性から期待される水準に達していない、という現状があります。一般にナノ材料の欠陥構造は、材料の強度の低下などにつながります。CNFにも折れ曲がりや裂け目などの欠陥構造が存在することが報告されていましたが、詳細はあまりわかっていませんでした。CNFの優れた特性を十分に活かすには、欠陥の詳しい構造や発生機構などの理解が不可欠です。 そこで本研究グループは、試料を原子レベルの精度で観察可能な顕微鏡と、画像処理による解析を組み合わせることで、CNFの欠陥構造の精密な解析を試みました。その結果、CNF表面には原子レベルの「凹み」が多く存在していることを発見しました。この凹みは、CNF全長の少なくとも30 ~ 40%を占めていました。また、折れ曲がりの付近で発生している凹みは、その他の場所に生じている凹みよりも深く長い傾向があることも見出しました。これらの結果から、機械処理によってパルプがCNFへと解きほぐれる際にCNF表面からセルロース分子鎖が剥離し、CNFの折れ曲がりや切断につながるという、CNF欠陥構造の発生機構を提案しました(図2)。 本研究で提案したCNFの欠陥の発生機構は、欠陥のない理想的なCNFの生産の足掛かりとなる重要な知見です。またこの知見は、CNFだけでなく、キチンナノファイバーなどその他のバイオポリマーにも応用可能であり、様々なバイオマスに由来する高機能材料の社会実装に貢献できると言えます。 本研究は、JST来社会創造事業 (JPMJMI17ED)、JSPS科研費 (18K14501; 20J12793; 20K15567; 21H04733)、次世代若手共同研究課題(20215022)の助成を受けて行われた研究です。

発表雑誌

雑誌名
Nanoscale Horizons
論文タイトル
Atomic-Scale Dents on Cellulose Nanofibers: the Origin of Diverse Defects in Sustainable Fibrillar Materials
著者
Tomoki Ito, Kazuho Daicho, Shuji Fujisawa, Tsuguyuki Saito* , Kayoko Kobayashi* (*責任著者)
DOI番号
10.1039/D2NH00355D
アブストラクトURL
https://doi.org/10.1039/D2NH00355D

問い合わせ先

東京大学大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 製紙科学研究室 教授 齋藤継之
Tel: 03-5841-5271
研究室URL: http://psl.fp.a.u-tokyo.ac.jp/