なぜできるのか？

プラスチック廃棄削減を可能にする超分子プラスチック

廃プラスチック問題は地球温暖化や地球環境汚染を加速する大きな要因の一つとなっている。プラスチックは巨大分子であるポリマー（重合体）で構成されている。ポリマーとは、重合反応によって多数のモノマー（単量体）が安定的な共有結合で結ばれたもので、そのほとんどが化石資源を原料としている。プラスチックは現在世界で年間4億3千万トン生産されているが、リサイクルはわずか9％で、他は廃棄されており、日本では温室効果ガスの発生につながる燃焼による廃棄が中心となっている。プラスチックを自然環境に投棄すると、5mm以下の微細なプラスチックであるマイクロプラスチックとなって蓄積し地球環境を汚染する。そこで、超分子ポリマーと呼ばれる結合の可逆性から原料モノマーに簡単に戻すことができる材料が注目されている。しかし、この可逆性があるため、超分子ポリマーはゴムのような柔らかい材料にしかならないと信じられてきた。研究チームの相田グループディレクターは、正負の電荷の静電相互作用と水素結合から構成される「塩橋」に注目。塩橋は水素結合とイオン結合という二つの非共有結合の組み合わせによる相互作用で、非共有結合としては最も強い。この塩橋を使うと、強靱（きょうじん）なのに、塩の作用で解離する超分子プラスチックができるかもしれないと考えた。

塩で分解される無色透明で超高密度なプラスチックを開発

研究チームは、生化学的な物質代謝を受ける2種類のイオン性モノマーを室温の水中で混ぜ合わせた。水素結合で強化された塩橋（静電相互作用）により2種類の原料が互いに接着し、架橋構造体を形成すると同時に、この混合物は上相と下相に相分離（それぞれの物質の相に分かれていく現象）を起こす。上相は高密度の水にモノマーの無機対イオンを取り込み（脱塩）、下相は塩橋によって接着した架橋構造体を形成して凝縮相を作る。この相分離により、架橋構造が安定化して、塩を外部から添加しない限り、架橋構造体から原料への解離ができなくなる。そして、凝縮相を分離して乾燥させると、無色透明で超高密度のガラス状超分子プラスチックがほぼ定量的に得られることを発見した。

マイクロプラスチック化を防ぎ、堅固だが加熱で簡単に成型加工できる三種類の超分子プラスチックの作製に成功

この得られたプラスチックは、さまざまな物性の超分子プラスチックに変調することも可能。今回、それぞれ異なるモノマー構造の硫酸グアニジニウムを用いて、耐熱性に優れた超分子プラスチック（耐熱温度：315℃）と、硬度を備えた超分子プラスチック（ヤング率：18ギガパスカル（GPa、1GPaは10億パスカル））と、引張強度が高い超分子プラスチック（材料の破断に必要な力：36メガパスカル（MPa、1MPaは100万パスカル））を作製した。作製した三種類を含めていずれも、堅固でありながら、加熱により容易に成型加工することができ、複雑な形も作れ、既存のプラスチックと遜色がない物性を確認した。一方、ひとたび海水などの塩水に入れると、原料モノマーにまで速やかに解離し、バクテリアなどによる生化学的な物質代謝が可能となるので、マイクロプラスチック化を防ぐ可能性がある。原料モノマーの一つのヘキサメタリン酸ナトリウムは、食品添加物や農業用途に広く用いられているうえ、安価。もう一つの原料モノマーである硫酸グアニジニウムの一部は天然由来のアミンから合成することができる。両原料モノマーに含まれているリンや窒素は肥料として重要。また、リンは近海を除く海洋で不足しており、難燃性を備え、温室効果ガスの発生抑制につながり、遺伝毒性も持たない。

塩水中で解離後、簡単に分離、回収が可能で、撥水被膜加工で塩水でも長期の使用が可能

塩水中で解離したモノマーは、エタノールを用いて比較的簡単に分離・回収が可能で、再び超分子プラスチックに戻すことができる。化石資源由来の従来型プラスチックをリサイクルするには、回収・分類・分解・再利用などで多大なエネルギーが必要だが、超分子プラスチックはそれとは対照的。なお、超分子プラスチックの表面を撥水被膜で覆っておくと、被膜に傷を付けない限り、塩水を含む水中でも長期の使用が可能となる。

3Dプリンティングにも応用できる多糖超分子プラスチックを開発

研究チームはさらに、天然由来の多糖類であるコンドロイチン硫酸ナトリウムをヘキサメタリン酸ナトリウムの代わりに用いた多糖超分子プラスチックを開発し、この超分子重合の可能性を広げた。この多糖超分子プラスチックはより優れた引っ張り強度（約93MPa）を有し、3Dプリンティングにも応用することができる。