私たちには優しさと温かさの両方が必要です!科学速報：「ホッキョクグマセーター」はダウンジャケットと同じくらい暖かいのに、厚さはわずか5分の1！

ホッキョクグマの毛皮にヒントを得て、従来のダウンジャケットよりも薄手でありながら同等の暖かさを誇る「ブラックテクノロジーセーター」が、権威ある科学誌「サイエンス」に本日掲載された。

報道によると、この「ホッキョクグマセーター」は、浙江大学の白昊教授のチームがホッキョクグマの毛皮から作ったカプセル化エアロゲル繊維（EAF）で編んだものだという。保温性、柔軟性、洗濯性、染色性に優れ、同じ暖かさのダウンジャケットに比べて厚さはわずか5分の1です。

研究チームは、このような繊維は軍服や宇宙服などの分野で大きな可能性を秘めており、ウェアラブル電子機器や個人の熱管理など、さまざまな新興用途に必要であると述べた。

「断熱繊維用の生体模倣編み可能エアロゲル繊維」と題された関連研究論文が、権威ある科学雑誌「サイエンス」に掲載されました。

同時に発表されたレビュー記事で、中国科学院蘇州ナノテクノロジー・ナノバイオニクス研究所の研究員である張学同氏と准研究員の盛志志氏は、「呉氏らは、優れた断熱性と機械的靭性を備えた生体模倣織りエアロゲル繊維を構築する実現可能な戦略を発見した。この繊維は通気性のある織物にすることができ、高度な暖かい保温繊維の開発を促進する可能性がある」と書いている。

ウール、ナイロン、ポリエステル繊維より優れている

最近、冬物衣料を販売する一部のライブ配信ルームに、ブラックテック風味のワードが登場している。ダウンジャケットよりも軽くて暖かいと謳う「エアロゲル防寒衣」を発売したブランドもある。エアロゲルは本当に保温・防寒に効果があるのでしょうか？

最近、東華大学紡織学院の研究員である李兆玲氏は、成都科学技術協会のインタビューで、「エアロゲルは原理的には保温に利用でき、今後の発展の見通しも良好です。現在、エアロゲル構造材料自体の機械的性質は非常に悪く、非常に壊れやすく、粉々になりやすく、柔軟性やドレープ性に欠けており、日常の繊維製品や衣類に直接使用するのは適していません。」と述べました。

この研究では、白昊教授のチームがホッキョクグマの毛のコアシェル構造を模倣してポリマーシェルでカプセル化されたEAFを開発し、壊れやすいエアロゲルを強力な断熱繊維に実用化する上で長年の障害となっていた障害を克服しました。

この研究では、凍結紡糸によって整然と並んだ多孔質エアロゲル繊維を得た後、ワンステップでコーティングと乾燥を行うという簡単な2段階法を採用し、EAFを連続的に製造しました。研究者らは、高い機械的強度と伸縮性（1000% 引張ひずみ）を理由に、熱可塑性ポリウレタン（TPU）**** をカプセル化層として選択しました。

図｜カプセル化エアロゲル繊維の設計と作製（出典：本論文）

EAF は豊富なエアポケット (多孔度 90% 以上) に空気を閉じ込めることができるため、十分な断熱性が得られます。 EAF で作られたセーターの熱伝導率は 26.9±1.8 mW/(m·K) で、ウール、ナイロン、ポリエステルの織物よりも優れています。このセーターはダウン衣料の5分の1の厚さしかありませんが、同等の断熱性能を持ち、洗濯や染色性に優れています。

図 |優れた断熱性を備えた織物および編み物のエアロゲル繊維（出典：本論文）

しかし、盛志志氏は、エアロゲル繊維を実際の生活に応用する上で、まだいくつかの課題に直面していると述べた。

例えば、高速回転技術をどのように開発するか？現在、エアロゲル繊維の湿式紡糸速度は約 20 m/分であり、工業用グレードの従来の繊維の湿式紡糸 (200 m/分)、乾式紡糸 (1500 m/分)、溶融紡糸 (5000 m/分) に比べるとまだはるかに遅れています。

さらに、紡糸と乾燥を統合した完全連続製造技術をどのように解決するか？連続紡糸と間欠乾燥は実現されているものの、これら2つの工程を有機的に組み合わせた完全連続製造技術の実現は未だ困難である。エアロゲル繊維の全工程連続製造技術を実現するには、急速真空乾燥と脱溶媒の原理を深く理解し、連続装置の開発を解決する必要があります。

しかし、先端材料の開発と高度な製造技術の形成により、将来的にはエアロゲル繊維の応用が期待されます。

断熱材、将来有望

エアロゲル繊維は次世代の断熱繊維として有望な素材であり、これまでの研究で大きな進歩を遂げてきました。同時に、エアロゲル繊維に加えて、断熱材料の研究も近年継続的に進歩しています。

今年2月、中国科学技術大学の研究チームが天然の木材のようなエアロゲルの開発に成功した。この素材は天然バイオマスと天然鉱物から作られており、優れた断熱性と耐火性を備えています。この完全に天然の木のようなエアロゲルは、市販の断熱材の理想的な代替品になると期待されていると報告されています。さらに、このエアロゲルは天然の原料源と低エネルギー、低排出の製造プロセスにより、優れた生分解性と持続可能性を示し、製造、使用、廃棄の際の断熱材による環境への悪影響を軽減することが期待されます。

さらに、今年8月には華中科技大学機械科学工学部のチームが、さまざまな自由な形状を持ち、背景温度に左右されず、全方向機能を備えた熱ステルスメタマテリアルの設計に成功しました。これらのメタマテリアルは、デバイス内の物体に対する外部温度場の干渉を効果的に遮断し、能動的な断熱を実現し、熱に敏感なコンポーネントの熱保護に広く使用できます。

全体として、近年、断熱材の分野での研究は、目覚ましい革新的な成果を生み出し続けています。エアロゲル繊維から天然木のようなエアロゲル、熱ステルスメタマテリアルまで、科学者は材料の応用範囲と性能を絶えず拡大しています。この一連のブレークスルーは、人々により快適で安全な生活体験を提供するだけでなく、持続可能な開発に向けた重要な一歩を踏み出すものでもあります。

技術の継続的な進歩に伴い、断熱材に対する人々の需要も高まります。新しい材料の出現は断熱効果を向上させるだけでなく、環境保護と持続可能性にも重点を置き、将来のグリーンテクノロジーの発展に実現可能な道を提供します。

私たちは、これらの革新的な素材がより幅広い分野で活用され、社会の持続可能な発展と人々の生活の質にさらなるプラスの影響をもたらすことを期待しています。

参考リンク:

www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013

www.science.org/doi/10.1126/science.adm8388

https://www.nature.com/articles/d41586-023-04145-5

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211099

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302387