革新的な発明:クモ糸繊維構造からのヒント

 

孟濤教授チームは、クモ糸マイクロ繊維の内部に中空構造を構築することで、繊維の集水性を著しく向上させた。研究により,このシミュレーションマイクロファイバサスペンション液滴体積は紡錘節体積の1663倍であり,集水能力の数値は既存の文献で報告されている数値をはるかに上回っていることが分かった。

淡水資源の不足はすでに世界社会と経済発展を制約する主要な要素となっている。統計によると、海水資源は地球上のすべての水資源の96.54%を占め、淡水資源は2.53%にすぎず、0.36%の淡水資源だけが人類に直接利用され、どのようにより多くの利用可能な淡水資源を獲得するかは、早急に解決しなければならない問題である。

最近、国際化学分野の定期刊行物「材料化学学報」A号は西南交通大学孟濤教授チームの研究成果を報告した。この擬似マイクロファイバサスペンション液滴体積は紡錘節体積の1663倍であり,集水能力の数値は既存の文献で報告されている数値をはるかに上回っている。

クモ糸繊維構造からのヒント

現在、水汚染や淡水資源の不足などの問題で、水資源危機はますます注目されている。海水淡水化や廃水処理技術の適用性、簡便性、コスト効果などの問題で、淡水資源を得ることができない場所もある。ここ数年、各分野の科学者たちは自然からインスピレーションを得て、擬生集水技術を研究しようとした。

自然界では、多くの生物が劣悪な環境に対応する独特の能力を持っており、長期的な自然選択を経て、一部の生物は霧の中から水分を得て自分の生存を提供することができ、淡水収集システムにおける機能シミュレーション材料の設計と製造にインスピレーションを提供した。これまで,ナノ布砂漠甲虫の集水メカニズム,サボテンの集水メカニズム,クモ糸の表面集霧メカニズムなどを用いて,対応する擬生集水材料を大量に開発してきた。

雨上がりの朝や湿った隅では、蜘蛛の巣にきらきらした液滴がたくさんぶら下がっているのがよく見られます。研究によると、実際には、クモの糸は強力な集水機能を持っており、その集水能力は周期的な紡錘節と関節から構成され、紡錘節はランダムに乱雑なナノ繊維から構成され、関節は整列したナノ繊維から構成されている独特の繊維構造に起因している。乾燥条件から湿潤条件に変換すると、クモ糸の構造が変化して紡錘節(水を貯蔵できる)が現れる。微小な水滴がクモの糸に凝結すると、駆動力によって紡錘節方向に移動し、集水を実現する。

天然蜘蛛の糸にヒントを得て、研究者たちは蜘蛛の糸の構造を模した微繊維を調製し、大気から淡水を収集する計画だ。しかし、近年の研究は繊維表面の形態を制御することによって毛細作用力を向上させることに集中しており、この方式は繊維集水性能の向上に限られている。従って、現在、マイクロファイバーの集水能力の向上は依然として持続的な課題である。

中空マイクロファイバはより優れた集水性能を示す

これに基づいて、西南交通大学の孟濤教授チームは内部構造から、繊維集水性能の改善方法を探究した。研究の過程で、チームは油水システムと気液システムの微流制御などの技術を試み、大量の実験を展開し、いずれも理想的な効果を達成しなかった。

最終的に、研究チームは細胞内外の水相区分の構造から啓発され、二水相層流に基づくマイクロフロー制御紡糸技術を用いて、二水相区分効果のメカニズムを利用して、界面で急速に架橋して繊維を形成し、後続物質の拡散と継続反応を阻止し、クモ糸中空マイクロ繊維を形成した。孟涛氏は「我々はクモの糸を模した中空マイクロファイバーとクモの糸を模した実心マイクロファイバーを同じ条件下で比較集水実験を行い、中空構造が繊維の集水性能を強化し、クモの糸を模した中空マイクロファイバーの集水能力がよりよく、より優れていることを証明した」と述べた。

なぜ、実心紡錘節微繊維に比べて、クモ糸中空微繊維を模倣することで、より優れた液滴懸架能力を示すことができるのだろうか。「中空チャネルの存在により、液滴と繊維との三相接触線の長さが長くなり、液滴が受ける毛細作用力が増強され、繊維が液滴を吊り下げる能力が向上する」。孟濤氏は、液滴が中空マイクロファイバーに吊り下げられると、中空通路内の液柱が毛細橋を形成し、液柱の両端の半月板状の凹みが吊り下げた液滴に余分な毛細作用力を提供し、この作用力は吊り下げた液滴の能力を向上させるのに重要な貢献をすると説明した。

毛細作用とは、固体表面に対する液体表面の吸引力を指す。液体表面は張りゴム膜に似ており、液面が曲がっていると平らになる傾向がある。「毛細管中の浸潤液体の液面は凹形であり、下の液体に引張力を加えて管壁に沿って液体を上昇させ、上向きの引張力が管内の液柱が受ける重力と等しい場合、管内の液体は上昇を停止し、バランスを達成する」孟涛は例を挙げて、自然界と日常生活の中で多くの毛細現象の例があって、例えば植物茎内のカテーテルは植物体内の極めて細い毛細管で、それは土壌の中の水分を吸い上げることができます。また、レンガの吸水、タオルの汗吸引、チョークのインク吸引はよく見られる毛細現象であり、これらの物体には細い穴が多く、毛細管の役割を果たしている。

従って、毛細作用力により、クモ糸中空マイクロファイバーの液滴吊り下げ能力を増加させることができ、吊り下げた液滴の体積が大きいほど、単位時間で空気から捕獲される水分が多くなり、マイクロファイバーが空気から水分を採取する効率が向上する。

用途の広い擬クモ糸微繊維

現在、クモ糸中空マイクロ繊維の良好な機械的性質を利用して、長期的で大規模な集水を行うことができる。人間は大量のマイクロ繊維を調製し、クモの網状構造に編み、湿った朝と夕方に空気中の水分を集めることができる。孟涛氏は「このような方法は干ばつの砂漠、水不足の島などの極端な環境にも適用され、淡水不足の需要を満たしている」と紹介した。

孟涛氏は、紡錘節微繊維の集水分野での応用と革新を促進するため、チームは集水過程における液滴と繊維の相互作用の界面メカニズムと規模化してクモ糸中空微繊維を生産する技術などを系統的に深く研究すると述べた。「また、繊維の集水性能実験は一定湿度の霧の下で行われており、将来の研究では、紡錘節微繊維が湿度の極めて低い環境で水の収集をどのように実現するか、風速、温度、霧流量などの他の外部条件が集水性能に与える影響を考慮すべきである」。

この微繊維は集水だけでなく、医薬、化粧品、環境保護、軍需産業などの分野にも応用できるという。例えば、擬クモ糸中空マイクロ繊維は、傷口塗料として医薬分野に応用することができる。この材料は生体適合性材料であり、傷口表面を覆うことで余分な傷口滲出液を効果的に吸収し、ゲル保護創面を形成することができる。また、繊維の製造過程で二水相が導入され、繊維はカプセル化酵素、タンパク質の特性を有するため、この繊維は成長因子、抗炎症、凝固促進類の薬物を傷口敷料として負荷することができ、傷口の創面癒合を加速させる効果を達成することができる。