「夢の素材」のリアルって?|産総研・機能化学研究部門・研究部門長 北本大 前編

セルロースナノファイバーをご存知ですか?

天然由来の素材で、軽くて強いと、様々な業界から注目を集めています。「夢の素材」と呼ばれているナノセルロースファイバー、果たして実際のところどうなのでしょうか?

今回は、国立研究開発法人 産業技術総合研究所で、長きにわたり研究を続けている北本大先生にお話をうかがってきました。

北本 大(きたもと だい)
産総研・機能化学研究部門・研究部門長。1988年通産省工業技術院・化学技術研究所入所。2005年産総研・環境化学技術研究部門バイオケミカルグループ・研究グループ長、2014年同部門・研究部門長、2015年より現職。研究テーマは、再生可能資源からの機能性化学品の製造技術。特に、バイオベース化学品の開発、および機能評価に基づく応用展開。専門は生物工学、界面化学。趣味は、トライアスロン、ウルトラマラソンなど。

ナノセルロースは見えなくなるまで細かくした「木」


――ナノセルロース(=セルロース・ナノファイバー:CNF)についてお教えください。

北本大氏(以下、北本):
「まず『セルロース』は植物の主成分です。繊維として植物の中に存在し、ヘミセルロース、リグニンと絡み合って、植物を形作っています。紙や綿繊維などはセルロースで出来ています。身近な存在です」

――「セルロース」とは、どういう物質なんですか?

北本:
「簡単に言うと、砂糖がつながったものです」

――砂糖?ですか?

北本:
「そうです。砂糖の仲間の『ブドウ糖』が、鎖のようにつながったものがセルロースです。『多糖類』とか『ポリマー』、あるいは『高分子』などとも呼ばれます」

――そこに「ナノ」が付くんですね?「ナノ」とは?

北本:
「『ナノメートル(nm)』サイズのことです。

『ナノメートル』とは100万分の1(=0.000001)ミリメートルです。お酒など発酵食品に欠かせない酵母菌と比べても、さらに1000分の1のというとても小さなサイズです。ナノセルロースとは、セルロース繊維をナノレベルまでほぐした物質のことなんです」

――まったく実感がわきません。

北本:
「光(可視光)の波長は数百nmです。ナノセルロースはそれより細い。だから光を散乱しません。肉眼ではもちろん、光学顕微鏡でも見えません。研究は電子顕微鏡で行われます」

主な4つの性質

――そのナノセルロースがなぜ、注目されているのでしょう?

北本:
「一般的に言われているのは4つの理由からです。

ひとつは『天然由来』だということです。ナノセルロースは生分解されます。

今の時代は、環境問題への対策として、再生可能エネルギーや再生可能資源の重要性が叫ばれています。ですから、天然由来であることが大きなアピールになるのです。

2つめは『寸法安定性』です。熱を加えてもあまり寸法が変わらないんです。熱膨張率はガラスや石英と同程度です。

3つめは、先ほど述べた『透明性』です。光を散乱せず、透明な加工が可能です。

そして4つめは『強くて軽い』ことです。

ナノメートル単位の小さな物質でありながら、鋼鉄の5倍の強度をもち、重さは5分の1しかありません。高強度かつ軽量なんです」

――そういえば、4つ目の性質は耳にしたことがあります。

北本:
「話題になっていますからね。
ただし、このような軽くて強い性質は、セルロースをナノ単位まで小さくしなくても、ある程度得られることが以前から知られていました。

『ウッドプラスチック』という建材をご存知でしょうか。『擬木』とも言われているものです。

公園のベンチや、水辺のウッドデッキなどに使われています。一見、木のように見えますが、触るとプラスチックだとわかる。

このウッドプラスチックは、プラスチックの中に木粉が混ぜ込んであるという材料です。軽く、強いうえに、耐久性が向上する」

――いくつかの性質はすでに知られていたものだったんですね。

北本:
「ナノセルロースの元である木材は、人間が長く材料として使ってきたものです。特に日本では、建築を始めさまざまな用途で使われてきましたから。

したがって、性質がよく理解されていることも強みだと考えられています」


課題はコスト、そして機能

――そうなると、いろいろ応用できそうですね。

北本:
「よく話題にのぼるのは、ナノセルロースを自動車の構造材に用いたり、建築材料に添加して強度を高めるために使おうという話です。

しかし、どんな素材でも同じですが、一般的に普及するまでには、クリアしなければならない課題があります」

――どんな課題ですか?

北本:
「製造コストが高いんです。先ほど述べたように、ナノセルロースは植物から精製します。植物はたいへん頑丈にできている。

セルロースとセミヘルロースという物質がびっしりと詰まり、それをリグニンという『糊』のような物質で接着しているからです。

この組織がいかにしっかりしているかは、法隆寺が1000年以上も朽ちずに残っていることを考えれば理解できるでしょう。

そして、ナノセルロースを作るには、これをすべてほぐし、1本の細い繊維にしなければなりません。

そのためには、薬品を使った化学的な分解、機械を使った物理的な分解、酵素を使った生物的な分解といった方法があります。

現在はこのコストが、ナノセルロースを素材や添加剤として使うことで得られる機能や価値に比べて、相対的に高いのです。

たとえば、ナノセルロースを1㎏製造するのに数千円から数万円かかります。

一方、代替できるかもしれないと考えられているポリプロピレン(食品トレイや包装紙に用いられている)などは、1㎏当たり数百円くらいだと思います。

数円の差ならまだしも、今はまだケタが違う段階です」

次世代の夢のような素材、と謳われているセルロースナノファイバーですが、色々と超えるべきハードルがまだまだたくさんあるようです。

実用化は夢のまた夢なのでしょうか?

それとも何か別のアイデアがあるのでしょうか?

次回に続きます。

「夢の素材」のリアルって?|産総研・機能化学研究部門・研究部門長 北本大 前編
ナノセルロースを生かすには?|産総研・機能化学研究部門・研究部門長 北本大 中編
環境にも、ビジネスにも優しい素材を目指して|産総研・機能化学研究部門・研究部門長 北本大 後編

文/鈴木俊弘、取材・編集・写真/設楽幸生(FOUND編集部)

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