Research Topics / 研究内容

General Interests

Solid materials composed of swollen networks, or gels, can be obtained through polymerization of small molecules in solution. Gels can be classified into different categories depending on the chemical composition of the solid component, the kind of solvent, and the microstructure. For instance, gels composed of organic polymers or inorganic polymers (like silicones); swollen with water (hydrogel) or organic solvent (organogel); consisting of a polymeric network or colloidal network... Namely, the world of gels is quite diverse, and novel gels can be prepared by elegantly controlling these parameters.  The power of chemical synthesis is significant for gel research. We love gels, seek new materials with gels, and pave new scientific ways with gels.

はじめに

溶媒により膨潤した固体材料、すなわちゲルは、溶液中におけるモノマーの重合反応によって作製できます。ゲルは、それを構成する物質、溶媒の種類、そして微細構造によりさまざまな種類のものが知られています。例えば、有機高分子からなるゲル、シリコーンのような無機高分子からなるゲル、水を溶媒とするハイドロゲル、有機液体を溶媒をするオルガノゲル、膨潤したポリマー鎖からなるポリメリックなゲル、連結したコロイドからなるコロイドゲルなどです。ひとくちに「ゲル」といってもさまざまな組成、物性、機能をもったものがあります。そしてこれらのパラメーターをうまく組み合わせることによって新しい物性・機能をもったゲルを作ることができます。これには合成の力も重要です。私たちは、「ゲル」を愛し、「ゲル」を使った新たな材料作りを目指し、「ゲル」を使って新たなサイエンスを切り拓くべく研究を行っています。

1. Aqueous chemistry of silicones

Poly(organosiloxane)s, silicon-oxygen polymers decorated with organic groups attached to silicon, are called silicones. Well-known silicone materials include polydimethylsiloxane (PDMS) oils and crosslinked silicone rubbers and resins. The synthetic chemistry of silicones is often conducted in organic solvents, since silicones are highly hydrophobic. We are developing aqueous chemistry of silicones through research on aerogels and other porous materials through the sol-gel process. Extending the unique techniques to various silicone materials is described in the following.

1. シリコーンの水溶液化学

ケイ素と酸素の繰り返し単位（シロキサン）からなり、かつケイ素に結合した有機部位を含むポリ有機シロキサン物質をシリコーンと呼びます。ポリジメチルシロキサン（PDMS）などのシリコーンオイルや、ポリ有機シロキサンが架橋された構造をもつシリコーンゴムなどがよく知られているシリコーン材料です。普通、シリコーンは水に溶けずに有機溶媒に溶けるため、その合成化学は有機溶媒中における反応がメインとなります。私たちは、シリコーン組成の多孔体を研究する中で、水溶液中においてアルコキシシラン化合物を反応させるゾル−ゲル法をシリコーン系に拡張してきました。2.以降に示すように、このユニークな手法を使って、さまざまな新しいシリコーン系材料の創出に挑戦しています。

2. Mechanically flexible aerogels

Aerogels are highly porous materials with porosity exceeding 90%. Since the porous structure of the representative silica aerogels can be controlled in the mesoscale, they show visible-light transparency and extremely high thermal insulation ability. Mechanical strength is, however, too low to be used in extended applications. We have reported that silicone aerogels derived from methyltrimethoxysilane show high flexibility against compression in 2007, and succeeded in preparing monolithic aerogels without supercritical drying. Later, we functionalized mechanically flexible aerogels with, for instance, surface reactivity, photoluminescence, and electric conductivity. Recently, we further improved bending flexibility through structural controls over meso-scaled pore skeletons. Our mission for social implementation of aerogels is moving forward via fundamental studies and cooperative R&D projects.

2. エアロゲルの柔軟性向上

エアロゲルは、90%以上という高い気孔率を誇る多孔性材料です。広く研究されているシリカエアロゲルは、メソスケールにおける多孔構造をもつため、可視光に対して透明であるという特徴もあります。さらに、これらの構造的特徴により、熱伝導率が固体材料としてはもっとも低く、高性能透明断熱材料として期待されています。ただし、機械的な強度が著しく低く、広く応用されるには至っていません。私たちは2007年に、メチルトリメトキシシランから得られるシリコーン組成のエアロゲルが圧縮変形に対して柔軟性を示すことを示し、それまで必要不可欠とされてきた超臨界乾燥を用いることなくエアロゲルを作製することに成功しました。その後、表面反応性や蛍光発光性、電子伝導性などさまざまな機能性をもつエアロゲルを開発し、近年ようやく曲げ変形性についても向上することに成功しました。省エネ材料として大きな期待を集めるエアロゲルを社会実装するべく、民間企業との共同研究も含めて日々努力を行っています。

3. Hydrogels and organogels

While aerogels consist of a colloidal structure and become porous after drying, hydrogels/organogels typically have a polymeric network swollen with water/organic solvent. We recently found hydrogels/organogels with a silicone network are superflexible and strong. Further, various functional materials such as metal nanoparticles can be stably embedded in the network. We seek gel materials functionalized with catalytic activity and biocompatibility.

3. ハイドロゲル・オルガノゲル

エアロゲルがコロイド構造をもち、多孔性を示すゲルであるのに対し、溶媒により膨潤したハイドロゲル・オルガノゲルの研究も行っています。特に、シリコーン骨格を含むハイドロゲルは柔軟性が高く、お餅のように粘り強い材料になります。そしてこのようなハイドロゲル・オルガノゲルは、そのポリメリックなネットワーク中にさまざまな機能性物質を内包させることができます。私たちは、触媒活性や生体親和性をもつ物質をゲル中に内包させ、機能性の材料として利用することを目指して研究を行っています。

4. Separation materials

Separation of mixed compounds, such as sugar and salt in water, is one of the most important processes for chemistry and the chemical industry. In chromatography, one of the most important methods for separation, molecules are separated through different interactions with the surfaces of porous silica gel particles, which are packed in a cylindrical tube (column). Monolithic porous materials can also be used instead of particles, which enhances separation performance and lowers pressure drop. Controlling chemical composition, porous structure, and surface characteristics leads to high-performance columns for separations of various types of molecules. Developing the technology originated by Prof. Kazuki Nakanishi at Nagoya University, we are studying chemically and mechanically robust large-volume monolithic columns that can be repetitively used via regeneration in mild conditions.  Generally, the purification process of chemical and pharmaceutical products requires a vast amount of columns and organic solvents. We are trying to drastically decrease these wastes for more environmentally friendly chemical processes.

4. 混合物を分離するための材料

水に溶けている砂糖と塩のような、混合物を分けるための方法はいくつかありますが、そのひとつにクロマトグラフィーが挙げられます。クロマトグラフィーでは、多孔性シリカゲル粒子のような多孔体の表面と対象分子との相互作用の強さの違いを利用して混合物を分離します。一般的にはこのような多孔性粒子を円筒形のチューブ中に充填し（カラムといいます）、そこに混合物液体を流して分離しますが、粒子ではなくモノリス状の多孔体を利用することもでき、分離効率を上げ圧力損失を下げることができます。モノリス状多孔体の化学組成、細孔構造や表面特性を自在に制御できれば、さまざまな目的に利用できる高性能のカラムを作ることができます。この技術は名古屋大学の中西和樹教授によって開発されたものであり、私たちはこの技術を応用して繰り返し利用可能かつ高い分離性能をもつ精製用の大型カラムの開発を行っています。化成品や医薬品の分離精製には莫大な量のカラムと有機溶媒が用いられていますが、これらの使用量を削減し、より環境にやさしい化学合成プロセスを開発することを目標に研究を行っています。

5. Aerogels in art & design

Materials have their own "sensoaesthetic" properties, which are a kind of scale for the practice by artists/designers, and through which materials can interact with living animals, including humans. Interaction between materials and humans delivers an attractive crossover between science and art. Inspired by, and co-working with artists/designers such as a Greek artist/professor Ioannis Michaloudis, we seek unique possibilities in aerogels as a sensoaesthetic material. Moreover, through collaborations with artists/designers working in fields not deeply related to natural sciences, we often encounter alien concepts that are quite fruitful for materials research. We believe such dialogs will drive materials science research forward, even to unprecedented directions.

5. アート＆デザインにおけるエアロゲル

芸術家やデザイナーによる作品は私たち科学者とは少し違った尺度で立案・計画され、表現されています。人間を含む動物と材料との間の相互作用をもたらす性質としてsensoaesthetic特性（感美的特性？）という考え方があり、それに基けば、材料はそれぞれにsensoaesthetic特性をもつといえます。このような考えをもつことにより、科学と芸術との間に魅力的な境界領域が存在することに気が付きます。私たちは、科学者・技術者のみならず、ギリシャ人芸術家/大学教授のIoannis Michaloudisら芸術家やデザイナーとも協力して、エアロゲルのもつ独自のsensoaesthetic特性を理解し表現しようと試みています。このような取り組みにより、思いもしなかった考え方と出会い、それが材料化学研究に反映されるという好循環にも繋がります。非自然科学分野との対話により材料研究は面白い方向に進みうると信じ、研究活動を行っています。