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マイクロからナノへ：ナノポリマーは材料科学にどのような革命をもたらすのか？
ポリマー ナノ複合材料 (PNC) は、ポリマーまたはコポリマーと、ポリマー マトリックス中に分散されたナノ粒子またはフィラーで構成されます。これらのナノ粒子はさまざまな形状 (フレーク、繊維、球など) で提供されますが、少なくとも 1 つの寸法が 1 ～ 50 ナノメートルの範囲内にある必要があります。これらの PNC は、世界のプラスチック生産の 95% を占める多相システム (MPS、ブレンド、複合材料、発泡体など) です。これらのシステムでは、制御された混合/強化、結果として生じる分散の安定化、および分散相の配向が必要です。PNC を含むすべての MPS の強化戦略は同様です。
ポリマー ナノサイエンスとは、少なくとも 1 つの寸法が 100 ナノメートルよりも小さいナノ粒子のポリマー ナノ粒子マトリックスに対するナノサイエンスの研究と応用を指します。微粒子がナノ粒子に変化するプロセスにより、物理的および化学的特性が変化します。この変化の主な要因の 1 つは、体積に対する表面積の比率の増加と粒子サイズの変化です。粒子の体積が減少すると、体積に対する表面積の比率が増加し、反応における粒子の表面原子の挙動がより支配的になります。
「ナノポリマーの表面積が大きいため、他の粒子との相互作用が強くなり、強度や耐熱性などの特性が向上します。」
たとえば、シリコン ナノスフィアは従来のシリコンとは大きな違いがあり、その直径は 40 ～ 100 ナノメートルで、硬度はサファイアとダイヤモンドの間です。ナノポリマー複合材料は、気相前駆体の拡散を通じて無機ナノ材料がポリマーマトリックス中で成長する連続浸透合成 (SIS) 法によっても調製できます。
バイオハイブリッドポリマーナノファイバー
クロマトグラフィー、光電子情報技術、センサー、触媒作用、薬物送達など、生物学的物質 (タンパク質、ウイルス、細菌など) の多くの技術的応用では、それらの固定化が必要です。この目的には、カーボン ナノチューブ、金粒子、合成ポリマーがよく使用されます。生体物質の固定化は主に吸着や化学結合によって行われ、これらの物質のホストマトリックス中でゲストとして使用されることはほとんどありません。
「ポリマーは、その多種多様な天然または合成ポリマーと高度な加工技術により、生体物質の固定化に優れたプラットフォームを提供します。」
バイオハイブリッド ナノチューブの調製
ポリマー繊維は通常、押出技術によって技術規模で製造されます。この技術では、ポリマー溶融物またはポリマー溶液が円筒形のダイを通してポンプで送られ、その後、巻き取りユニットを通して紡糸または延伸されます。今日でも、エレクトロスピニングは、直径を数百ナノメートル、さらには数ナノメートルまで縮小するための最良のポリマー加工技術であり続けています。強い電場を印加することにより、固体ナノファイバーが形成されるまで、液滴の上部から流体ジェットが噴射されます。
ナノチューブの応用
ナノチューブは、特に腫瘍治療における薬物放出にも使用できます。それらの役割は、血液中での薬物の破壊から保護し、薬物放出のダイナミクスを制御し、特定の標的への輸送能力を提供することです。それだけでなく、応答性ポリマーを含むナノチューブを化学的に修飾して、チューブの口の開閉を制御することもできます。
「ナノチューブのコアシェル繊維は、その機能に影響を与えることなく生体物質を捕捉できるため、バイオセンサーに役立つ可能性があります。」
ナノポリマーの工学的応用
エンジニアリング用途では、ナノポリマー複合材料はその優れた特性が燃料効率の向上に役立つため、自動車タイヤ業界で重要な役割を果たしています。また、ナノポリマー複合材料は耐熱性に優れているため、高温環境でも使用されます。
ナノポリマーの分野は急速に発展していますが、依然として限界に直面しています。たとえば、ナノファイバーからの薬物放出はまだ正確に制御されておらず、多くの場合、バースト的に発生します。そして、将来のテクノロジーの発展に伴い、私たちは当然、さらなる可能性を期待しています。
将来の材料科学の課題を解決するために、ナノポリマーの特性をより有効に活用するにはどうすればよいでしょうか?
