放射光を活用し、リサイクル可能で強靭な高分子材料の強靭化メカニズムを解明：研究開発の最前線

弘前大学は、放射光X線を活用して強靭かつリサイクル可能な高分子微粒子材料の構造を調査し、強靭化メカニズムを解明した。微粒子接触面のナノレベルでの絡まり合いが、重要な役割を担っていることが明らかとなった。

[MONOist]

　弘前大学は2024年10月18日、放射光X線を活用して強靭かつリサイクル可能な高分子微粒子材料の構造を調査し、強靭化メカニズムを解明したと発表した。微粒子接触面のナノレベルでの絡まり合いが、重要な役割を担っていることが明らかとなった。

強靭な微粒子フィルムのナノ構造を解明［クリックで拡大］ 出所：弘前大学

　研究では、アクリレート系モノマーのメチルアクリレートから成る合成高分子微粒子を使った強靭な微粒子フィルムの構造を評価し、強靭化の仕組みを探った。微粒子フィルム内の微粒子間の接着面に着目し、物質に明るい光を照射してナノレベル物質の構造を解析する放射光X線散乱法を適用した。メチルアクリレートによる高分子微粒子フィルムを測定対象とし、粒子内部の高分子鎖を架橋し、段階的に架橋の具合を変化させることで高分子鎖の動きをコントロールした。

　架橋が多い微粒子フィルムは、微粒子同士の接触面で高分子の鎖が絡まり合いにくく、すぐに破断して脆くなった。一方、架橋度合いが少ないと、強靭かつ壊れにくいことが分かった。この高強度微粒子フィルムは、水溶媒乾燥時に微粒子が互いに強く融着し、数ナノメートルの深さで高分子の鎖が絡まり合っていた。

　また、フィルム内における微粒子の変形性や運動の起こりやすさが、架橋の度合いで変化していることが分かった。伸ばした微粒子フィルムの構造を観察すると、散乱した放射光X線強度のパターンは、伸長前は等方的な円状だったが伸長後に変形していき、材料が破断するまでのナノ構造を解析できた。高分子鎖が微粒子接触面で深く絡まり合うことで材料がよく伸び、高強度化していた。

伸ばした微粒子フィルムの構造評価［クリックで拡大］ 出所：弘前大学

　今回、強靭化の構造をナノレベルで明らかにしたことで、劣化せずリサイクルが可能で、微粒子から成る強靭な高分子材料の設計指針を確立できた。さらに、日常的な使い方と同様に、微粒子フィルムを変形させながら内部の構造変化を確認できた。身の回りにある、さまざまな高分子への適用が期待される。

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