ニューヨーク 1939～40年の万国博覧会 は、世界がそれまでに目にした中でも最大級の博覧会の一つでした。クイーンズ区のフラッシング・メドウ・パークを訪れた人々は、「明日の世界」を目にし、テレビやテレビ電話、フォード・マスタングなどの驚異を初めて知る機会を得ました。
それはまた、世界初の完全合成の人工繊維であるナイロンを目にする初めての機会でもありました。編み機の実演でパンティストッキングが編まれ、2人のモデルが生地の強さを示すために綱引きをしました。ナイロンは4年前、デュポンの研究部門に所属する ウォレス・カロザースの 研究グループによって発見されました。博覧会では、「石炭、水、空気といったありふれた原料のみから製造」でき、「鋼鉄のように強い」フィラメントに加工できる新しい靴下素材として紹介されました。
ナイロン製ストッキングは、もちろん大成功を収め、 やがて 初年度だけでデュポンに6,400万足を売り上げました。ナイロンは天然素材の絹より優れた特性を備え、ほどなく、時にはそれほどファッショナブルではないものの、多くの有用な用途に使われるようになりました。今日でも、織物、椅子張り材、スポーツ用品、楽器の弦、自動車部品などに幅広く用いられています。
この新たな完全合成材料の時代が幕を開けて以来、材料の歴史において比類のない進歩が遂げられてきました。化学者たちは新たな触媒を発見し、特定の用途に適した特性を持つ長いポリマー鎖へと小分子を結び付ける新たな合成経路を開発しました。たとえば、カーペットに使われる ポリプロピレン繊維 や、ペットボトルの製造に用いられる硬質タイプの ポリエチレン です。
物理学者、材料科学者、エンジニアも、新たな加工法や技術を設計して性能を高め、 ケブラーのような非常に強靭な素材を生み出してきました。
同時に、私たちがより多くを求めるようになっているのは当然です。生活の質をさらに高める製品を期待する一方で、エネルギー効率がより高く、持続可能で、地球規模の汚染を減らせる材料や技術を望んでいます。これは大きな課題です。
未来を形作る5種類のポリマーを紹介します。
1. バイオプラスチック
よく指摘されるように、プラスチックは分解されず、目に見える環境汚染の大きな原因となっています。さらに問題を複雑にしているのは、モノマーと呼ばれるこれらの材料の構成単位が、歴史的に再生不可能な原油に由来してきたことです。
しかし、状況は変わりつつあります。酵素や触媒を使う工程の革新により、 バイオガス などの再生可能資源を、プラスチックや 合成ゴムの製造に必要な主要構成単位へと変換することが、ますます可能になっています。
化石資源を節約できるため、これらの物質は持続可能です。しかし、もちろん、これで問題が解決するのは一部にすぎません。生分解性も備えていなければ、依然として環境にとって問題です。
2. プラスチック複合材料／ナノ複合材料
プラスチック複合材料とは、強度や弾力性を高めるために、さまざまな繊維で補強したプラスチックのことです。たとえば、ポリマーに炭素繊維を埋め込めば、軽量な材料を作ることができ、現代の燃費効率に優れた輸送機器に最適です。
こうした繊維強化プラスチックは、特に航空宇宙産業で利用が増えています（ ボーイング787 と エアバスA360 は複合材料を50％使用しています）。コストが高くなければ、こうした材料はあらゆる車両に使われるでしょう。
この分野に近年加わったのがナノ複合材料です。プラスチックを、 グラフェンなど、別の物質の微小粒子で補強します。用途は多岐にわたり、風力タービンのブレードに取り付ける軽量センサーから、より高性能な電池、骨折の治癒を早める体内用の骨組みまであります。 たとえば 、風力タービンのブレードに取り付ける軽量センサーから、より高性能な電池、骨折の治癒を早める体内用の骨組みまで、用途は多岐にわたります。
ナノ複合材料は、非常に制御された方法で設計できる加工法によって製造できるようになれば、特に大きな可能性を秘めています。木材のような自然界の材料の構造を見ると、非常に複雑で精巧であることが分かります。それと比べると、現在の複合材料やナノ複合材料は、まだ非常に単純です。
3. 自己修復ポリマー
機械的応力や環境条件に耐える能力を基準に、工学用途向けの材料をどれほど慎重に選んでも、いずれは必ず劣化します。経年劣化、分解、衝撃や疲労による機械的完全性の損失は、いずれもその要因です。これは非常にコストがかかるだけでなく、たとえば2010年にメキシコ湾で起きた ディープウォーター・ホライズンの爆発事故 のように、壊滅的な結果を招くこともあります。
生物システムに着想を得て、従来なら不可逆と考えられてきた損傷に応じて修復できる新材料が 開発されて います。自己修復の可能性を持つ材料はポリマーだけではありませんが、ポリマーは特に適しているようです。世紀の変わり目頃の 最初の発見 から数年のうちに、革新的な修復システムが数多く提案されました。
依然として非常に難しいのは、こうした概念を大規模用途に広げることです。自己修復ポリマーには、従来世代のポリマーよりはるかに複雑な設計が求められるためです。しかし、コーティング、電子機器、輸送機器などの製品に使える、長寿命で故障に強い材料を実現する究極の道筋と思われます。
4. プラスチックエレクトロニクス
ほとんどのポリマーは絶縁体であり、電気を通しません。しかし、ポリマー研究のこの分野は、ポリアセチレンというポリマーが不純物を 導入すると 導電性を持つことを ドーピングと呼ばれる工程を通じて 発見した業績により、2000年にアラン・マクダイアミッド、アラン・ヒーガー、白川英樹にノーベル賞が授与された後、急速に発展しました。
同じ工程によって、ほかの類似ポリマーも導電性を持つようになるだけでなく、発光ダイオード（LED）に変換できるものもあり、下に示すようなフレキシブルなコンピューター画面の実現が期待されています。
この分野では、ポリマーはシリコンや有機LEDといった既存技術との激しい競争に直面し、依然として大きな課題を抱えています。それでも、既存の電子機器に代わる安価で柔軟な材料を求める場合、ポリマーには大きな可能性があります。溶液中で容易に加工でき、3Dプリントも可能だからです。
この分野では膨大な研究が進められているようです。ポリマーは、半導体のように活性成分として使われることもあれば、 導電性インクのように、ほかの物質を運ぶ媒体として機能することもあります。
5. スマートポリマーと応答性ポリマー
ゲルや合成ゴムは外部刺激に応じて容易に形状を変えることができ、周囲の変化に反応する能力を持っています。外部刺激は通常、温度や酸性度・アルカリ度の変化ですが、光、超音波、化学物質の場合もあります。これは、センサーや薬物送達装置をはじめ、さまざまな用途向けのスマート材料を設計するうえで非常に有用です。
目的を意識して設計すれば、こうした刺激に応答するポリマー本来の能力を大幅に高められます。たとえばメカノフォアは、機械的な力を受けるとポリマーの特性を変化させる分子単位です。特に自己修復技術も組み込めば、産業分野で多様な用途が考えられます。
スマートポリマーには、汚れたときに窓を洗浄する窓用コーティングや、傷が治ると消える医療用縫合糸など、ほかの可能性もあります。
この記事は、 ザ・カンバセーションとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：バレリア・アリッギ（VA）は、エディンバラのヘリオット・ワット大学准教授兼材料化学部門長代理。
画像：科学者が手にプラスチックシートをかぶせている。ロイター。
