MITの研究者らは、正確に制御された色の光（純白光を含む）を発することができ、さまざまな外部条件に応答するように出力を調整できる材料群を開発しました。この材料は、化学物質や生物学的化合物、あるいは機械的・熱的条件の検出において多様な用途を持つ可能性があります。
希土類元素を用いて作製された金属ポリマーゲルであるこの材料は、材料科学工学分野の助教授Niels Holten-Andersen氏、ポスドク研究員のPangkuan Chen氏、大学院生のQiaochu Li氏およびScott Grindy氏が「 Journal of the American Chemical Society 」に掲載した論文で説明されています。
発光性ランタノイド金属ゲルであるこの材料は、化学的、機械的、または熱的刺激に応答して発光するよう化学的に調整でき、特定の物質や状態の存在を示す視覚的な出力をもたらす可能性があります。
この新材料は、生物に着想を得た材料に関する研究の一例であると、Holten-Andersen氏は説明します。「私の専門はバイオミメティクス、つまり自然の仕組みを利用して生体に着想を得たポリマーを設計することです」と同氏は述べています。同氏によれば、海洋には驚くほど多様な「非常に風変わりな」生物が存在し、「化学的・機械的な観点から、それらがどのように組み立てられているのかを理解する試みは、まだ表面をなぞったにすぎません」と付け加えています。
数百万年をかけて厳しい環境条件に適応してきたこうした天然材料を研究することは、「工学者が設計原理を導き出すことを可能にする」と同氏は付け加えます。その原理は、他の種類の材料にも応用できる可能性があります。
Holten-Andersen氏自身の研究では、ムラサキイガイが岩に自らを固定するために用いる糸に見られる、金属配位結合と呼ばれる特定の種類の架橋について検討してきました。同氏は、これらの結合は赤血球中のヘモグロビンへの酸素結合など、多くの生物学的機能においても重要な役割を果たしていると付け加えています。
同氏が強調するのは、目的は自然を模倣することではなく、天然材料の根底にある原理を理解し応用することだという点です。場合によっては、これらの原理は、天然の対応物よりも構造が単純で製造が容易な材料に適用できることがあります。
本件では、ランタノイド族の金属（希土類元素とも呼ばれる）と、ポリエチレングリコール（PEG）と呼ばれる広く用いられているポリマーを組み合わせることで、色を調整可能な多色の発光を示す材料が得られます。その発光は環境の極めて微細な変化を反映することができ、それらの条件の詳細を示す色分けされた出力をもたらします。
「極めて外部パラメータに敏感です」とHolten-Andersen氏は述べています。「何をしても結合の動的挙動が変わり、それによって色も変わります。」
例えば、この材料は特定の汚染物質、毒素、または病原体を検出するように設計でき、その結果は発光色によって即座に視認できるようになります。
この材料は機械的変化も検出でき、機械システムの応力を検出するために用いられる可能性があると、Holten-Andersen氏は述べています。例えば、流体中の力を測定することは困難ですが、このアプローチはそのための高感度な手段を提供できる可能性があるとのことです。
この材料はゲル、薄膜、あるいは構造物に塗布できるコーティングの形で作製でき、故障が起こる前にその兆候を示す可能性があります。
ポリマー中の金属配位結合は、Holten-Andersen氏による他の研究でもテーマとされてきました。同氏は別の 論文 で、8月31日に学術誌「 Nature Materials」に掲載された研究において、剛性を含む機械的特性を調整可能なポリマーを作製したと報告しています。同氏によれば、これらの材料は自然に自己組織化し自己修復する性質を持ち、エネルギー吸収材料や、破損せずに衝撃を吸収する必要がある生体インプラントに有用である可能性があります。
「ここで素晴らしいのは、この材料がそのような広範かつ豊かな刺激に応じて色を変えることです」と、本研究に関与していないデューク大学の化学教授Stephen Craig氏は述べています。同氏はさらに、「基準状態を白色にできることは非常に有用です。例えば、何かにうっすらと緑の色合いがあることを目で見て検出する方が、それが別の緑ではなく特定の一つの緑であることを検出するより容易なことが多いのです」と付け加えています。
Craig氏は、そのような材料の多様な潜在的用途を見込んでいます。「私は、これらまたは類似の材料を、広範な状態の現場モニターとして活用することを想像できます」と同氏は述べ、さらに、実用化は「ここで用いられているコアとなるヒドロゲル足場が、生物学および基礎的なポリマー物理学の問いに関する研究で非常に広く用いられているという事実」によって促進される可能性があると付け加えています。
本研究は、MITエネルギーイニシアチブおよび、Doherty Professorship in Ocean Utilizationを通じたMITシーグラントの支援を受けました。
本記事は、 MIT Newsと連携して掲載されたものです。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：David L. Chandlerは、フリーランスの科学ライターです。
画像：MITチームが製造した発光材料が紫外線下で示されており、環境条件によって変化する異なる色の光を放っています。これらの発光ビーズは、材料科学工学専攻の学生Caroline LiuさんおよびRebecca Gallivanさんが作製しました。PHOTO/Tara Fadenrecht
