京都大学理学研究科・中西研および同大学化学研究所・梶研の研究により、Angewndte Chemie International Editionにマシュマロゲル（英名 Marshmallow-like Gel）に関する論文が発表されました。[1]
「何それ！？」もしくは「つい最近どこかで初めて聞いたぞ！」と思った方がほとんどだと思います。この特徴的な名前の材料、以前はほとんど知られていませんでした。それもそのはず、私が勝手に付けた名前だからです。検索してもこの柔軟多孔性材料ぐらいしかヒットしません。
白くてやわらかい素材等はよく、マシュマロxxxと表現されます。マシュマロという名の製品や、競走馬だっています。マシュマロゲルもその例外ではなく、ふにふにふわふわとした触り心地で、学会発表や高校生の体験学習で披露する度に絶賛の嵐が巻き起こっていました。インパクト重視でいいや！ということでこの名前が論文のタイトルにまでなりました。
（以前どこかで見た覚えたある「ティラミス構造？」への対抗意識もあります。）
さてそんなマシュマロゲル、ふざけた名前とは反対にたくさんの優れた特性をもっています。
- 超撥水性・油のみを吸い取る
- 柔軟性を保つ温度域が広い
- バリエーションが豊富
合成条件はマシュマロを作るよりもよっぽど簡単です。いいことづくしですよね！筆頭著者本人が、論文に書いてある内容を紹介したいと思います。
マシュマロゲルの作製は簡単！
新素材と聞いて一番気になるのはその合成方法です。どんなに優れた材料でも作製プロセスが複雑過ぎるとガッカリしてしまいます。
その点、マシュマロゲルは超が付くほど簡単です。当初はちょっぴり手間を要したプロセスも、めんどくさい実験なんかしたくない一心で小学生でも作れるほど単純な方法に改良しました。
- 原料を混ぜてしばらく攪拌する。
- 型に流し込んで80度の恒温槽に入れる。
- 数時間後に取り出し、もみ洗い後、乾燥させる。
- さわり心地を楽しむ（？）
スピノーダル分解型の相分離を利用したゾル－ゲル反応により、（食べ物の）マシュマロのように発泡させずとも多孔構造ができあがります。
前駆体（モノマー）であるケイ素アルコキシドの加水分解時にメタノールが出てきますが、飲んだり目をさわったりしない限り危険性はあまりありません。原料は用途によっては商売しても採算があうほど安い（はず）です。
超撥水性！水から油を吸い出す分離媒体に使えます！
マシュマロゲルは表面が有機鎖で覆われています。そして、表面に凹凸構造があります。これらの効果が合わさり、蓮の葉のように水を撥きます。水滴の接触角は150度以上（超撥水性）なので、汚れていない面に水滴を落とせば上をコロコロ転がります。
水をよく撥く一方、油にはよく馴染みます。マシュマロゲルは多孔体なので内部の90%以上は空気です。このスペースに油だけを吸い込み絞り出す、油/水分離媒体として使うことができます。
2011年に発表したマシュマロゲル最初の論文 [2] では、超撥水性までは気付いていたものの大した性質ではないと考え、書きませんでした。油/水分離媒体としての可能性に気付いたのはBPのメキシコ湾原油流出事故に関する材料面での研究成果を見つけたからです。
日頃からニュースや論文で情報収集をしている姿勢が生きた瞬間か思います。
耐用温度範囲が広い！
マシュマロゲルの力学特性を試験をする際、ゲルをカミソリで切って直方体にする必要があります。しかし軟らかすぎるため、垂直面を作り出すことが大変でした。そこで液体窒素を用いて割ろうとしたのですが、それでもやわらかい。室温下よりは硬くなるものの、遊びで液体窒素を絞り出すことだって、曲げることだってできる。
…じゃあ論文にしちゃえ！という経緯でこの物性を調べました。
メチルトリメトキシシラン（MTMS）とジメチルジメトキシシラン（DMDMS）から作り出されるマシュマロゲルは、ポリジメチルシロキサン（PDMS）のような分子構造をしています。耐用上限温度は他のシリコーン樹脂同様に有機ポリマーより高く、300度超です。実際、315度24時間の熱処理でも分子構造は変わらず、物性はそのままでした。（それ以上ではメチル基部位が徐々に酸化します。）300度を超えた電気炉の中でピンセットを使ってつまんでみても、マシュマロゲルはふにふにしています。
逆に低温側では、使っている測定装置の限界である-130度でもガラス転移しないことが確認されています。簡単に手に入る寒剤ということでドライアイス－エタノールを吸わせてみたところ、常温のエタノールとほとんど同じ感覚で絞り出すことができました。
組み合わせは自由自在！いろんなマシュマロゲルを作ろう！
商品のキャッチコピーのようですが、マシュマロゲルは前駆体の組み合わせで色々な有機基をもつ高分子構造を作り出すことができます。立体障害など重合を阻害する条件がうまくクリアされれば、バリエーションはかなり豊富です。
論文ではメルカプトプロピル基がついた前駆体を用いて金を吸着させています。論文を書くペースがスローなので、すでに他にもいろいろなことができています。
最後に
博士課程の学生の研究は株式投資と同じです。運を待つは死を待つに等し！いろいろ調べてチャンスを掴んで、直感的にもとにかくオモシロイものを作り出すことができました。
この論文は、趣味の写真も生かし、わかりやすく伝えるための動画を5本もつけた出し惜しみなしの作品といえます。しかし研究成果は常に前作比プラスです。近々出てくる予定の続報もオモシロイので期待していてください。マジカルゲルとでも呼びたくなる材料がすぐそこに！？
参考文献
- “Facile Synthesis of Marshmallow-like Macroporous Gels Usable under Harsh Conditions for the Separation of Oil and Water”, G. Hayase, K. Kanamori, M. Fukuchi, H. Kaji and K. Nakanishi, Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 7, 1986-1989. DOI: 10.1002/anie.201207969
- “New flexible aerogels and xerogels derived from methyltrimethoxysilane/dimethyldimethoxysilane co-precursors”, G. Hayase, K. Kanamori and K. Nakanishi, J. Mater. Chem. 2011, 21, 17077-17079. DOI: 10.1039/C1JM13664J
最新記事 by GEN (全て見る)
- 超高速レーザー分光を用いた有機EL発光材料の分子構造変化の実測 - 2019年7月3日
- 高校教科書に研究が載ったはなし - 2019年6月25日
- 科学雑誌 Newton 2019年6月号は化学特集！ - 2019年5月1日
