MITの化学工学者が設計した素材は、大気中の二酸化炭素と反応して、成長、強化、さらには自己修復することができます。このポリマーは、将来的に建設材料や補修材、保護コーティングとして使われる可能性があり、温室効果ガスを継続的に炭素系の素材へと変換し、それ自体を補強します。
新素材の現行版は、合成ゲル状の物質で、植物が大気中の二酸化炭素を成長する組織へ取り込む仕組みに似た化学プロセスを行います。たとえば、この素材は軽量なマトリックスのパネルに成形され、建設現場へ輸送されることが考えられます。そこでは空気と日光にさらされるだけで硬化・固化するため、輸送にかかるエネルギーとコストを節約できます。
この成果は、学術誌Advanced Materialsに掲載された論文で解説されており、執筆者はMichael Strano教授、ポスドクのSeon-Yeong Kwak氏、そしてMITおよびカリフォルニア大学リバーサイド校の他8名です。
「これは材料科学における全く新しいコンセプトです」と、化学工学のCarbon C. Dubbs教授であるStrano氏は述べています。「我々が炭素固定材料と呼ぶものは、生物の領域外では今日まだ存在しません」と彼は語り、植物と同様に太陽光のエネルギーのみを用いて、大気中の二酸化炭素を安定した固体の形へ変換できる材料について説明しました。
研究者らは、製造に化石燃料を使わないだけでなく、大気中の二酸化炭素を実際に消費する合成素材の開発が、環境と気候にとって明らかな利点をもたらすと指摘しています。「木のように成長し、二酸化炭素から炭素を取り込んで素材の骨格に組み込む合成素材を想像してみてください」とStrano氏は述べています。
チームがこの最初の概念実証実験で用いた素材は、一つの生物学的構成要素、すなわち植物細胞内で光を捕らえる構造である葉緑体を利用していました。研究者らはこれをホウレンソウの葉から入手しました。葉緑体は生きてはいませんが、二酸化炭素のグルコースへの反応を触媒します。単離された葉緑体は非常に不安定で、植物から取り出すと数時間で機能を停止しがちです。Strano氏と共同研究者らは論文で、抽出された葉緑体の触媒寿命を大幅に延ばす方法を示しています。Strano氏によれば、現在進行中および今後の研究では、葉緑体は非生物由来の触媒に置き換えられつつあります。
研究者らが用いた素材は、アミノプロピルメタクリルアミド（APMA）とグルコースから作られたポリマーによるゲルマトリックス、グルコースオキシダーゼという酵素、そして葉緑体で構成されており、炭素を取り込むにつれて強度が増します。現時点では建築材料として使えるほどの強度はありませんが、亀裂の充填材やコーティング材として機能する可能性があると研究者らは述べています。
チームはこの種の素材をトン単位で製造する方法を確立しており、現在は素材の特性の最適化に取り組んでいます。自己修復コーティングや亀裂充填などの商業用途は近い将来実現可能である一方、建設材料や複合材料を開発するには、骨格となる化学や材料科学のさらなる進歩が必要だと述べています。
こうした素材の重要な利点の一つは、日光や室内照明にさらされると自己修復することだとStrano氏は述べています。表面に傷や亀裂が入ると、影響を受けた部分が成長して隙間を埋め、外部からの操作を必要とせずに損傷を修復します。
生物の能力を模倣する自己修復材料の開発は広く進められてきましたが、研究者らによれば、これらはいずれも機能させるために外部からの能動的な入力を必要としてきました。加熱、紫外線、機械的ストレス、または化学処理が、プロセスを作動させるために必要でした。これに対し、この新素材はあらゆる場所にある周囲の光だけを必要とし、そして遍在する大気中の炭素から質量を取り込みます。
素材は当初液体として始まるとKwak氏は述べ、さらに「それが成長して集まり始め、固体の形になっていく様子を見るのは非常に興味深い」と付け加えています。
「材料科学がこのようなものを生み出したことは、これまでありません」とStrano氏は述べています。「これらの素材は、生物のように増殖はしないものの、生命を持つものの一部の側面を模倣しています。」この発見は多岐にわたる今後の研究の可能性を開くため、米国エネルギー省は、Strano氏が主導する新たなプログラムを支援し、さらなる開発を進めています。
「私たちの研究は、二酸化炭素が単なる負担やコストではないことを示しています」とStrano氏は述べています。「この点で、二酸化炭素は機会でもあるのです。炭素はあらゆる場所に存在します。私たちは炭素で世界を築いています。人間も炭素でできています。私たちの周囲に豊富にある炭素を取り込める素材を作ることは、材料科学にとって大きな機会です。このように、私たちの研究は単に炭素中立な素材を作ることではなく、炭素を負にする素材を作ることなのです。」
研究チームには、UCリバーサイド校のJuan Pablo Giraldo氏、そしてMITのTedrick Lew氏、Min Hao Wong氏、Pingwei Liu氏、Yun Jung Yang氏、Volodomyr Koman氏、Melissa McGee氏、Bradley Olsen氏が含まれていました。この研究は米国エネルギー省の支援を受けています。
