降雨時に発生する濁水，土中を移動する間隙水中には，粘土鉱物や，有機物や微生物，金属酸化物といった数 nm から数 μm の微細なコロイドが多量に混在して います（図1）。これらのコロイド粒子の表面が帯電していて，汚染物質や栄養塩を吸着し，それらの輸送担体となることが指摘されています。

コロイドの移動は，コロイド同士が衝突・付着（凝集）し，その集合体である凝集体を形成していく凝集過程や，コロイドが土壌マトリクスに捕捉される沈着過程に強く依存します。

そこで私は，凝集や沈着について研究することで，水・土環境中での物質輸送への理解向上に貢献することを目指しています。

特にコロイド界面化学的な手法を駆使して，近年その影響が懸念されているナノ・マイクロプラスチック粒子の環境中での動態予測に資する基礎的な研究に継続的に取り組んでいます。

環境中には一般に流れが存在するため，環境中のマイクロプラスチックの運命予測において，流れ場中の凝集速度への粒子間の相互作用力の影響を実験と理論の両面から検証することは重要である（図2）。

そこで，帯電量を正確に評価できるモデルマイクロプラスチック粒子を用いた流れ場中の凝集速度を測定し，その理論解析を行った。
特に，U.S. 環境保護庁が開発したバッフル付きフラスコを用いることで，乱流の強さや分子間引力の強さを表すパラメータをフィッティングすることなしに，乱流のゆらぎを考慮したBrunk-Koch モデルと実験値がよく一致することを示した。

・J. Gao, J. Gao, T. Sugimoto, and M. Kobayashi, "Turbulence-induced aggregation of polystyrene microplastic colloids in a baffled flask under orbital shaking", J. Environmental Chem. Eng., 14, 124279, 2026.

・J. Gao, T. Sugimoto, and M. Kobayashi, "Effects of ionic valence on aggregation kinetics of colloidal particles with and without a mixing flow", J. Colloid and Interface Sci., 638, 733-742, 2023.

濃厚なコロイド懸濁液は、ある臨界せん断応力を超えると粘度が急上昇するシアシックニングを示す。その現れ方は粒子間に働く力に左右されるが、電気二重層による静電反発がどう効くのかは定量的に検証されていなかった （図3）。

そこで、粒子径100〜2500 nmの範囲で、コロイダルシリカ懸濁液の粘度をせん断応力の関数として測定した。あわせて数値シミュレーションによる解析を行った。
その結果、塩濃度を上げて静電反発を弱めるほど、せん断減粘の勾配とシアシックニングが始まる臨界せん断応力 の両方が小さくなることを明らかにした。さらに臨界せん断応力はある塩濃度を超えるとほぼ一定となり、この濃度を critical concentration for critical stress（CCCS）と名付けた。これは DLVO 理論における臨界凝集濃度（CCC）に対応する臨界条件である。 

・R. Ishibashi, T. Sugimoto, R. Seto, and M. Kobayashi, "Effects of electric double layer repulsions on the onset of shear thickening in concentrated colloidal suspensions", Colloids and Surfaces A, 732, 139149, 2026.

栄養塩であるリンや毒性の高いヒ素は，溶存態で陰イオンとして存在し，正に帯電した土中の粘土鉱物や金属酸化物に吸着することが知られている。

このような吸着性イオンが表面に過剰集積すると，コロイド元来の電荷を打ち消し，正味の電荷の符号が逆になる電荷反転が生じる。正に帯電したコロイドが電荷反転すると，その負電荷のために，混在している負に帯電した粘土コロイドとの間に電気斥力が生じ，反発的なヘテロ凝集が起きる。

この問題に対して，ブラウン運動により衝突が起こる場において測定を行い，理論解析をおこなった。
その結果，電荷反転が生じる塩濃度領域では，ヘテロ凝集が反発的になるという測定結果を標準的な理論モデルで説明することに成功した。

・T. Cao, T. Sugimoto, I. Szilagyi, G. Trefalt, and M. Borkovec, "Heteroaggregation of oppositely charged particles in the presence of multivalent ions", Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 15160-15171, 2017.

・T. Sugimoto, T. Cao, I. Szilagyi, M. Borkovec, and G. Trefalt, "Aggregation and charging of sulfate and amidine latex particles in the presence of oxyanions", Journal of Colloid and Interface Science, 524, 456-464, 2018.

近年，数 μm 以下の微細な気泡であるナノバブルによる汚染土壌浄化作用が期待されている。

一方で，ナノバブルを土壌に注入する上で，共存する土中のコロイドの存在がナノバブルの輸送に与える影響が不明という問題があった（図5）。

そこで，粒子と流体の密度差から固体コロイド(ナノプラスチック粒子)とナノバブルを区別して計数することの共振式質量分析計を用いてコロイドとナノバブルの共存下での模擬土壌を用いたカラム輸送実験をおこなった。
その結果，コロイドを先に通水した場合については，沈着したコロイドが物理化学的な相互作用によりナノバブルの新たな吸着サイトとして作用し，コロイドの沈着がない場合と比べてナノバブルの輸送が阻害されることを示した。 

・T. Sugimoto, S. Hamamoto, T. Nishimura, "Inhibited nanobubble transport in a saturated porous medium: Effects of deposited colloidal particles", Journal of Contaminant Hydrology, 242, 103854, 2021.