北陸先端科学技術大学院大学
マテリアルサイエンス

　公益財団法人 池谷科学技術振興財団の研究助成に物質化学フロンティア研究領域の木田 拓充助教とサスティナブルイノベーション研究領域の高田 健司助教の研究課題が採択されました。

　池谷科学技術振興財団は、先端材料関連の研究に対する助成によって科学技術の発展を図り、社会経済の発展に貢献することを設立の理念としており、この理念を具体化するため、先端材料や関連する科学技術分野の研究者や研究機関に対して、毎年支援を行っています。

＊詳しくは、池谷科学技術振興財団ホームページをご覧ください。

• 採択期間：令和4年4月～令和5年3月
• 研究課題名：分子分光法を用いた延伸過程における重水素化分子鎖の直接観察による分子量分布と力学物性の関係解明への挑戦
• 研究概要：高分子材料において、分子量分布(分子鎖長分布)は材料物性を決定する最も重要な分子パラメータの一つです。従来の研究においても、分子量分布の形状と力学物性の関係についてはさまざまな報告が行われてきましたが、特定の分子量成分の変形挙動のみを観察する手法がなく、未だに分子量分布と力学物性の関係は十分に理解されていませんでした。本研究では、特定の分子量成分のみを重水素化させ、材料の延伸過程におけるin situラマン分光測定を実施することにより、特定の分子量成分の変形挙動を直接観察し、分子量分布と力学物性の関係解明に挑みます。

• 採択期間：令和4年4月～令和5年3月
• 研究課題名：イタコン酸をベースとした光変形・刺激分解性材料の開発
• 研究概要：本研究では、天然に広く存在する桂皮酸と、微生物が生産するイタコン酸に着目して、光によって同時に（協奏的に）変化する部位を有した、新規な光変形材料となるバイオプラスチックの開発を目的としています。光変形材料は外部刺激応答材料として注目されますが、本研究ではこれに加え、光刺激によって自然環境雰囲気下での分解の促進を試みます。これにより、バイオ原料の使用、材料の光機能の面からの環境寄与、そして自然環境下での刺激応答分解性による廃棄材料の消失などの機能を兼ねそろえた、将来的なゼロエミッション型の材料へと展開します。
• 採択にあたって一言：本研究課題を採択頂き大変嬉しく存じます。また、池谷科学技術振興財団および本助成の選考委員会の皆様に深く感謝申し上げます。本研究成果をベースとして世の中のサスティナビリティに貢献できればと考えております。また、本研究に関して多くのディスカッションとアドバイスをいただいた金子達雄教授はじめ、研究室の皆様、および研究協力者の方々にこの場をお借りして厚く御礼申し上げます。

令和4年4月7日

　公益財団法人 藤森科学技術振興財団の研究助成にサスティナブルイノベーション研究領域の高田 健司助教の研究課題が採択されました。

　藤森科学技術振興財団は、「より快適な社会の実現」に向けて社会の重要課題の解決に指針を与えるような先進的、萌芽的な機能（はたらき・しくみ）創造につながる科学技術研究へ幅広い助成を行っています。

＊詳しくは、藤森科学技術振興財団ホームページをご覧ください。

• 採択期間：令和4年4月～令和5年3月
• 研究課題名：「バイオ由来ヒドロキシ酸とイタコン酸をベースとした環境分解型光変形材料の開発」
• 研究概要：本研究では、バイオ由来材料である桂皮酸系ポリエステルを強靭化させるために、イタコン酸系ポリアミドとの共重合手法を新たに開発し、環境低負荷な高機能材料の開発を目的としています。バイオ由来ヒドロキシ酸である桂皮酸をポリエステルとした材料は紫外線に対して物性を変化させる性質を有するため、古くから機能性バイオベースポリマーとして注目されてきました。この機能性材料であるポリ桂皮酸に同じくバイオベース原料として知られるイタコン酸を分子構造中に組み込み、環境分解性に優れた機能材料を開発します。
• 採択にあたって一言：本研究課題を採択頂き大変嬉しく存じます。また、藤森科学技術振興財団および本助成の選考委員会の皆様に深く感謝申し上げます。本研究成果が、近年のプラスチックごみ問題等に資するものになるよう精進してまいります。また、本研究に関して多大なアドバイスをいただいた金子達雄教授はじめ、様々な知見を頂いた研究室の皆様、および研究協力者の方々にこの場をお借りして厚く御礼申し上げます。

令和4年4月8日

　3月6日（日）、サイエンスヒルズこまつにおいて、「JAISTサイエンス＆テクノロジー教室」を開催しました。同教室は、小松市との包括連携協定に基づく青少年の理科離れ解消に向けた取組のひとつであり、サイエンスヒルズこまつがＪＲ小松駅前に開館して以来、毎年実施しているものです。

　今年度の第2回目「お湯と氷で車が走る！？熱電ミニカーを作ろう！」には、10名の子どもが参加しました。はじめに先端科学技術研究科（環境・エネルギー領域）の小矢野 幹夫教授から、温度差によって電圧が発生する原理についての説明がありました。その後、子どもたちはこの原理を利用して動く熱電ミニカーを作り、より速く走らせることに熱心に取り組んでいました。

令和4年3月8日

　学生のZHOU, Jiabeiさん（博士前期課程2年、環境・エネルギー領域、金子研究室）が第29回日本ポリイミド・芳香族系高分子会議において優秀ポスター賞を受賞しました。

　日本ポリイミド・芳香族系高分子系会議では、芳香族系高分子を中心に幅広い分野における合成、材料分野を基軸として研究を展開する研究者・学生らの学術交流として、毎年、研究発表会を開催しています。今年はコロナ禍の影響で対面＆オンラインのハイブリッド型で、令和3年12月10日に開催されました。
　優秀ポスター賞は、発表会ポスターセッションにおいて優秀な研究発表を行った学生に授与されます。

*参考：第29回日本ポリイミド・芳香族系高分子会議

■受賞年月日
　令和3年12月10日

■発表者名
　Zhou Jiabei、Zhong Xianzhu、Nag Aniruddha、高田健司、金子達雄

■発表題目
Toughening of Ultrahigh Thermoresistant Biopolybenzimidazoles by Forming Porous Structure

■研究概要
　本研究では、スーパーエンジニアリングプラスチックの中でも特に高レベルの力学的・熱的安定性を有するポリベンズイミダゾールの多孔質化による高タフネス化に成功しました。シリカ粒子の分散・除去によるハードテンプレート法で多孔質ポリベンズイミダゾールフィルムを作製したところ、フィルムの力学物性が大きく向上する性質を見出しました。走査型プローブ顕微鏡によりポリベンズイミダゾール表面の力学強度を観測したところ、シリカ分散により生じた空孔周辺の靭性が著しく向上し、その空孔率が増えるごとに高靭性を示すことが分かりました。従来、ポリベンズイミダゾールは高い化学的安定性から物性の改質は困難でしたが、本研究で確立した方法を用いれば複雑な工程無しで、成型物の物性を改良することができ、材料開発における重要な手法となることが期待されます。

■受賞にあたって一言
　この度は、第29回日本ポリイミド・芳香族系高分子会議におきまして、このような賞をいただけたことを大変光栄に思います。本研究の遂行にあたり、日頃よりご指導をいただいている金子達雄教授、高田健司助教にこの場をお借りして心より御礼を申し上げます。さらに、VISTECのNag Aniruddha様、株式会社島津製作所の長野浩一様、および多くのご助言をいただきました研究室のメンバーに深く感謝いたします。

令和3年12月28日

　公益財団法人 松籟科学技術振興財団の研究助成に環境・エネルギー領域の高田 健司助教の研究課題が採択されました。

　松籟科学技術振興財団では、科学技術の振興に貢献するため、科学技術、特に天然物の有効利用、生理活性物質、有機新素材及び電子材料等、同財団の指定する課題分野にて優れた研究に携わる研究者への助成を行っています。

＊詳しくは、松籟科学技術振興財団ホームページをご覧ください。

■研究者名
　環境・エネルギー領域　高田 健司助教

■採択期間
　令和4年4月～令和5年3月まで

■研究課題名
　バイオマス由来ヒドロキシ酸を基盤としたフォトメカニカル材料の開発

■研究概要
　フォトメカニカル材料は光によって材料の形状・形態を大きく変化させることが可能であり、古くからスマートマテリアルとしての利用が注目されていました。また、エネルギー効率の良い光を用いるという点からサスティナブルマテリアルとしても注目されており、その物性の精密制御や機能化法の確立が急務の課題となっています。本研究では、主鎖に桂皮酸を有するポリエステルの特徴的な構造に対して、リビング重合によるブロック／グラフトポリマー化による柔軟性の精密コントロールを達成し、多様な刺激応答性能を有するバイオベースプラスチックの提案を目的としています。

■採択にあたって一言
　本研究課題を採択頂き大変嬉しく存じます。また、松籟科学技術振興財団、および本助成の選考委員会の皆様に深く感謝申し上げます。本研究が、地球の環境・エネルギー問題に資するものになるよう邁進してまいります。また、本研究に関して多大なアドバイスをいただいた金子達雄教授はじめ、様々な知見を頂いた研究室の皆様、および研究協力者の方々にこの場をお借りして厚く御礼申し上げます。

令和3年12月28日

　学生の柿﨑 翔さん（博士前期課程1年、環境・エネルギー領域、金子研究室）が第70回高分子学会北陸支部研究発表会において高分子学会北陸支部優秀研究賞を受賞しました。

　高分子学会北陸支部では、北陸地域を中心に幅広い分野における高分子科学を基軸として研究を展開する研究者・学生らの学術交流として、毎年、研究発表会を開催しています。今年はコロナ禍の影響で11月27日～28日にかけてオンラインにて開催されました。
　優秀研究賞は、北陸支部研究発表会の「高分子化学部門」「高分子構造・高分子物理部門」「高分子機能部門」において、それぞれ優秀な研究発表を行った学生に授与されます。

■受賞年月日
　令和3年11月28日

■研究題目、論文タイトル等
Syntheses of Polymer Composites of Itaconic Acid-derived Biobased Polyamide and Nylon 11

■研究者、著者
　柿﨑翔、高田健司、金子達雄

■受賞対象となった研究の内容
　本研究では、ヒマシ油から抽出される11-アミノウンデカン酸をベースとしたバイオナイロンに、同じくバイオ由来で得られるイタコン酸ベースバイオナイロンをコンポジット化することに成功しました。得られたバイオナイロンコンポジットにおける11-アミノウンデカン酸の組成が増えるごとに、成型物の伸び率が向上したことから、柔軟性に優れたバイオナイロンを得ることができました。さらに当該バイオナイロン成型物をタンパク質分解酵素であるペプシンにより処理したところ、樹脂が軟化し崩壊していく挙動を示しました。これは、生体内に入ったとしても臓器を傷つけずに排出されるなど、海洋プラごみ問題である海洋生物の誤飲事故などの防止につながる成果であり、特定の条件下でのみ分解する新しいバイオベースポリマー開発に大きく寄与する研究になります。

■受賞にあたって一言
　この度は、第70回高分子学会北陸支部研究発表会におきまして、このような賞をいただけたことを大変光栄に思います。本研究の遂行にあたり、日頃よりご指導をいただいている金子達雄教授、高田健司助教にこの場をお借りして心より御礼を申し上げます。さらに、多くのご助言をいただきました研究室のメンバーに深く感謝いたします。

令和3年12月16日

北陸先端科学技術大学院大学 音羽電機工業株式会社 東京工業大学

最先端ナノ材料グラフェンを用いた電界センサ素子で、雷雲が生み出す電界の検出に成功
－ 襲雷予測に向けた「広域雷雲監視ネットワーク」実現に期待 －

　北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科／環境・エネルギー領域のアフサル カリクンナン研究員、マノハラン ムルガナタン講師、水田 博教授の研究チームは、音羽電機工業株式会社、東京工業大学と共同で、グラフェン（炭素原子シート）を用いた超小型電界センサ素子を開発し、雷雲が生み出す大気電界（最小検出電界～67V/m）を、センサにグラフェンを使用して検出することに世界で初めて成功しました。
　本研究成果に関し、11月26日に、北陸先端科学技術大学院大学において記者発表を行いました。

＜記者発表出席者＞

・北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科／環境・エネルギー領域
　　水田 博　教授
　　マノハラン ムルガナタン　講師
　　アフサル カリクンナン　研究員

・音羽電機工業株式会社 技術本部
　　圓山 武志　取締役 本部長
　　工藤 剛史　部長

・東京工業大学 地球インクルーシブセンシング研究機構
　　堀 敦　ＵＲＡ（リサーチ・アドミニストレーター）

＜ポイント＞

• 超小型グラフェン電界センサで、雷雲が生み出す大気電界の検出に世界で初めて成功。
• 雷雲内の電荷の分布を反映した大気電界のプラス・マイナス極性判定にも成功。
  複雑な雷現象のメカニズム解明と襲雷予測の精度向上に期待。
• 既存技術に比べて大幅な小型化と低消費電力化を実現。

＜研究背景と内容＞

　雷の事故による世界の死者数は年間6千～2万4千人と推定され、日本では毎年数名が亡くなっています。また、雷サージ（雷による異常電圧・電流）は情報システムや生産ラインなどに甚大な影響を与えます。こうした被害を軽減するには、早期に襲雷/避難情報を提供する予測システムを開発し、人々に行動変容を促す必要があります。高精度な襲雷予測には広域かつ高密度な雷雲監視ネットワーク作りが重要ですが、そのためには電界センサの小型化と省電力化が大きな課題となっています。
　これに対して研究チームは、ナノ炭素材料のグラフェン（炭素原子が蜂の巣状の六角形結晶格子構造に配列した単原子シート）膜を検出用チャネルとした微細センサ素子を開発しました（図１参照）。このグラフェン電界センサを用いて、雷雲が生み出す大気電界の時間変化を電気的に検出することに世界で初めて成功しました。最小検出電界は約67V/mで、これは晴天時の地表付近における大気電界レベルです。さらにこの電界センサでは、大気電界の極性の判別も可能です（図２参照）。これにより、雷雲内部の電荷分布の推定が容易になり、複雑な雷現象のメカニズム解明に大きく寄与するものと予想されます。
　このグラフェンセンサをモジュール化して、屋外で雷雨時に動作試験を行ったところ（図３参照）、20km以上離れた地点での落雷を電界ピーク信号として検出することに成功しました。信号検出のタイミングは、既存のフィールドミル型電界検出装置（重量～1kg, 要外部電源）と精度よく一致しています。今回の電界センサは、従来のフィールドミル装置と比べて、電界検出部の寸法で約2万分の1の小型化（ミルの直径：170mm ⇒ グラフェンチャネル寸法：10mm）と、低消費電力化（太陽電池駆動）を実現しています。さらに、測定された電界の時間発展データを特異スペクトル変換法で解析することで、5km圏内の落雷を32分前に予測できることも見出しています。これらの新技術を統合すれば、既存技術では困難だった多数のセンサ素子を広域に配置した落雷検出ネットワークの構築が容易となり、高精度な襲雷予測の実現に向けた大きな前進が期待できます。

　本成果は、第82回応用物理学会秋季学術講演会で発表されました。
　・題名：Enhancing Electric Field Sensitivity in Graphene Devices by hBN Encapsulation（11a-N306-9）
　・題名：雷予測精度向上のための特異スペクトル変換法を用いた電界波形解析（9p-Z22-10）

　本成果は、科学技術振興機構（JST）による以下の研究助成によって得られました。
　・事業名：センター・オブ・イノベーション（COI）プログラム
　　研究課題名：「『サイレントボイスとの共感』地球インクルーシブセンシング研究拠点」
　　研究代表者：サテライト拠点代表　水田 博（北陸先端科学技術大学院大学　教授）
　　研究開発期間：平成29年度～令和3年度
　・事業名：研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）トライアウト JPMJTM20DS
　　研究課題名：「襲雷予測システムのためのグラフェン超高感度電界センサの開発」
　　研究代表者：マノハラン ムルガナタン（北陸先端科学技術大学院大学　講師）
　　研究開発期間：令和2年度～令和3年度

図１　グラフェン雷センサイメージ図

図２　(a)開発したセンサの構造, (b)電界検出感度特性, (c)電界極性判定

図３　(a)フィールドテストの様子, (b)グラフェン電界センサの検出信号と既存のフィールドミル電界計の検出信号の比較,
(c)検出地点から10km以内での雷発生状況

令和3年11月26日

　環境・エネルギー領域の高田 健司助教が、Springer Nature刊行のPolymer Journal誌の"Rising Stars in Polymer Science 2021"（世界中の新進気鋭の研究者による優れた研究をハイライトする特集号）に選ばれました。

＊詳しくは、Polymer Journal誌ホームページをご覧ください。

　また、この研究に関連した論文（環境・エネルギー領域 金子 達雄教授との共著）が同誌の表紙に掲載されました。

■掲載誌
Polymer Journal 2021, 53 (11), 1223−1230.
掲載日2021年11月8日

■著者
Kenji Takada*, Takumi Noda, Takuya Kobayashi, Toyohiro Harimoto, Maninder Singh, Tatsuo Kaneko* （*責任著者）

■論文タイトル
Synthesis of pH-responsive polyimide hydrogel from bioderived amino acid

■論文概要
　本研究では、水溶性になる特殊なポリイミドを用いて、ポリイミドハイドロゲルを初めて合成しました。
　バイオ生産が可能な4-アミノ桂皮酸をベースとしたバイオポリイミドは、分子鎖中にカルボン酸を有するため、水溶性ポリマーであるアクリル酸ナトリウムのように水溶化させることができます。溶媒に溶解させることができるということは、各種化学反応を行えるということであり、本研究では水溶性バイオポリイミドの側鎖を、同じくバイオ分子であるアミノ酸により架橋させることで、ハイドロゲル化させることに成功しました。さらに、このバイオポリイミドは側鎖のカルボン酸の効果によりpHの変化に応じてプロトン移動を引き起こし、親水性・疎水性のスイッチングが起きます。このことから、ポリイミドハイドロゲルはpHに応じて体積変化を引き起こし、pH応答性があることを見出しました。こうした性質から、本ポリイミドゲルは完全バイオ由来のpH応答ゲルとして生体内へのドラッグデリバリーとしての応用が期待されます。

論文詳細：https://www.nature.com/articles/s41428-021-00509-8
掲載誌詳細：https://www.nature.com/pj/volumes/53/issues/11

※上段右端が該当するCover Picture

令和3年11月10日

　セミナーを下記のとおり開催しますので、ご案内します。
　新型コロナウイルス感染症対策のため、ネット配信方式にてご参加いただきます。カメラ付きパソコン、スマホ、タブレットなどからご参加いただけます。

　公益財団法人 泉科学技術振興財団の研究助成に環境・エネルギー領域の高田 健司助教の研究課題が採択されました。

　泉科学技術振興財団では、科学技術の振興を図り、もって社会経済の発展に寄与することを目的として、高度機能性材料及びこれに関連する科学技術の基礎研究分野における真に独自の発想に基づく新しい研究に対して助成を行っています。

＊詳しくは、泉科学技術振興財団ホームページをご覧ください。

■研究者名
　環境・エネルギー領域　高田 健司助教

■採択期間
　令和3年10月～令和4年9月

■研究課題名
　高靭性バイオポリアミドを用いた自己支持性ナノ薄膜の作製と有機ELデバイスへの応用

■研究概要
　眼鏡やディスプレイパネルに用いられるアクリル樹脂やポリカーボネートなどの透明樹脂は、有機ガラスと呼ばれ、様々な材料化の研究が行われています。一方で、材料の透明性の高さと力学物性（破壊強度、弾性率、靭性）はトレードオフの関係であり、高い透明性を維持しながらも高い力学強度を発揮する材料の開発は急務の課題でした。当研究課題では、これまでに開発したバイオ由来トルキシル酸という特殊な構造を持つポリアミドが透明な非晶性高分子でありながら極めて高い靭性を示すという研究成果を発展させ、これらの薄膜化の技術の確立とそれを用いたデバイス化の検討を行うことでバイオベース発光有機ELデバイスの試作検討を目的としています。

■採択にあたって一言
　本研究課題を採択頂き大変嬉しく存じます。泉科学技術振興財団、および本助成の選考委員会の皆様に深く感謝申し上げます。近年、様々なバイオ由来材料が注目されている中で当研究が採択されたことは、それだけ重要な課題であるとご判断いただけたものと存じます。また、本研究に関して多大なアドバイスをいただいた金子達雄教授はじめ、様々な知見を頂いた研究室の皆様、および研究協力者の方々にこの場をお借りして深く御礼申し上げます。これを励みに研究を加速できればと思います。

令和3年10月7日

　9月24日（金）、環境・エネルギー領域の小矢野 幹夫教授が、文部科学省「SSH（スーパーサイエンスハイスクール）」指定校である福島市の県立福島高等学校において、SS（スーパーサイエンス）部の1学年26名を対象に、オンラインによる講演会を行いました。

　今回の講演は、「熱電変換の物理と最先端のエネルギー変換の研究」というテーマで行われました。

　導入部分では、SDGsの観点から、熱電変換の研究がエネルギー問題にどのように貢献できるかについての説明がありました。続いて、物質の両端に温度差を与えると電位差が生じる「ゼーベック効果」を利用して、熱を電気エネルギーに変換する技術について、解説が行われました。

　生徒の皆さんは、熱電材料の金属組成を変えることで、より高い変換効率を目指す研究開発が盛んに行われてきたことを学ぶとともに、有毒または希少な元素を含まない、環境に優しい次世代の熱電材料の開発の重要性についても理解を深めました。
　また、身の周りにある熱を"収穫（ハーベスト）"して電気エネルギーに変換する「エネルギーハーベスティング」の考え方にも触れ、エネルギーの捉え方に新たな視点を持ったようでした。

　最後に、小矢野教授から生徒の皆さんに向けて、「自身の知的好奇心と向き合い、ぜひ大学院進学というキャリアプランも考えてみてほしい」とメッセージを送りました。

　講演後には質疑応答が活発に行われ、生徒の皆さんからは、「講義の中で化学物質がたくさん出てきたので、化学の分野ももっと勉強してみたい」、「効率を改善する方法がいくつも研究されており、自分の研究でも一つで満足しないようにしたい」、「学者の交友関係、進路の考え方、研究への向き合い方を学ぶことができた」といった前向きな感想があり、向学心の高さがうかがえる講演会となりました。

講演を行う小矢野教授

受講の様子（写真：福島高校提供）

質疑応答の様子

令和3年9月29日

　7月16日（金）～17日（土）の2日間、石川県産業展示館3号館で、日本海側最大規模のICTビジネスショーである「e-messe kanazawa 2021（第36回いしかわ情報システムフェア）」が開催され、本学からリサーチコア「協生AI×デザイン拠点」のホ アン ヴァン准教授（知能ロボティクス領域）が出展しました。
　ホ准教授はソフトロボティクス（柔らかいロボットを扱う研究）の紹介として、柔らかいドローンのプロペラ、柔らかいロボットアーム、コンタクトレンズをつまみ上げるようなソフトハンドの3点を展示しました。
　本学ブースには、企業関係者、大学・研究関係者、大学生・高専生、一般の方など2日間で延べ240名もの方々が来訪され、活発な情報交換の場となりました。

本学出展ブースにおける展示の様子

令和3年7月20日

　7月16日（金）～17日（土）の2日間、石川県産業展示館 3号館（石川県金沢市袋畠町）で日本海側最大のICTのビジネスショーである「e-messe kanazawa 2021（第36回いしかわ情報システムフェア）」が開催されます。
　本学からは、知能ロボティクス領域のホ アン ヴァン准教授が以下の内容について出展します。
　ご来場の際はぜひお立ち寄りください。

詳細はこちらをご覧ください。
・e-messe kanazawa 2021 公式ホームページ
・e-messe kanazawa 2021 リーフレット

　環境・エネルギー領域の大平 圭介教授が提案した研究課題が、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「NEDO先導研究プログラム／新技術先導研究プログラム（エネルギー・環境新技術先導研究プログラム）」に採択されました。

　「NEDO先導研究プログラム／新技術先導研究プログラム」は、2030年頃以降の社会実装を見据えた革新的な技術・システムについて、原則、産学連携の体制で先導研究を実施し、革新性・独創性があり、将来的な波及効果が期待できる技術シーズの発掘及び国家プロジェクト化等への道筋をつけることを目標とします。

　 *詳しくは、NEDOホームページをご覧ください。

■研究課題名
　新概念結晶シリコン太陽電池モジュールの開発

■研究概要
　2050年のカーボンニュートラルに向けて、主力電源の一翼を担うことが期待される太陽光発電において、太陽電池モジュールの劣化抑止と長寿命化は、最重要課題の一つです。また、寿命を迎えた太陽電池モジュールの大量廃棄時代に備え、部材の分別廃棄やリサイクルを容易にすることも、喫緊の課題です。本研究では、結晶シリコン太陽電池モジュールの革新的な構造として、封止材を用いないモジュールの開発に取り組みます。封止材を無くすことで、紫外光照射による封止材の黄変、封止材からの酸発生による電極の腐食、封止材を介したナトリウム移動にともなう電圧誘起劣化などに起因する発電性能低下を根本的に解決できます。さらに、太陽電池セルが封止材で接着されていないため、故障したモジュールの修理・再利用が可能となるばかりでなく、廃棄時の分解・分別や、部材リサイクルも容易となります。本研究は、新潟大学、青山学院大学、岐阜大学と共同で実施します。

令和3年5月14日

国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学 独立行政法人 環境再生保全機構

消化酵素で分解するナイロンを開発
―プラスチック誤飲事故の軽減、海洋生態系維持へ―

ポイント

• 海洋プラスチックごみは誤飲するなど海洋生物への悪影響がある
• 従来の生分解性プラスチックは性能が低い問題がある
• 植物由来分子であるイタコン酸とアミノ酸からナイロンの開発に成功
• 従来ナイロンよりも高性能かつ人工胃液で分解・崩壊する性質を発見

＜開発の背景と経緯＞

　植物などの生体に含まれる分子を用いて得られるバイオマスプラスチックは材料中に二酸化炭素を固定することにより、二酸化炭素濃度を削減し、低炭素社会構築に有効であるとされています。その中でも生分解性を有するものは、昨今深刻化する海洋プラスチックごみ問題の解決の糸口を与えるものと注目されています。特に、鳥類やクジラ類などの死骸の胃の中を調査するとプラスチックごみが蓄積している場合があり、それが原因で死に至った可能性が指摘されています。つまり、プラスチックごみの誤飲による生態系への被害が問題視されています。生分解性プラスチックの中には海洋環境で分解するものがあり、中には消化酵素で分解するものも開発されているため本問題を解決するためのキー材料となると考えられています。しかし、生分解性プラスチックのほとんどは柔軟なポリエステルで耐熱性や力学強度の点で問題があります。このため用途は限られ、主に使い捨て分野で使用されているのが現状です。たとえばPHBHと呼ばれる脂肪族ポリエステルは代表的な海洋分解性プラスチックを与えますが、その主骨格は一般的な工業用プラスチックに用いられる高分子に比べて柔軟であり、そのガラス転移温度は０℃付近であり室温での使用のためには高結晶化が余儀なくされます。また力学強度も20-30MPa付近です。（参考：ポリエチレン、塩ビ、ポリプロピレンなどの汎用プラスチックは20-70 MPa程度）
　研究チームは、麹菌などが糖を変換して生産するイタコン酸を用いてバイオナイロンを開発することを目的として研究を進めていますが、アミノ酸であるロイシンなどを導入した新たなモノマーを合成し、一般的なナイロンの原料の一つであるヘキサメチレンジアミンなどを反応させることでバイオナイロンを合成する条件を見出しました（図１）。得られたバイオナイロンはガラス転移温度が100℃を超え、力学強度が85MPaを超える高性能ナイロンであることも確認されました（表１）。この高性能発現はナイロン中に硬い構造であるヘテロ環が含まれることに由来します。
　最後に、L-ロイシンから得られるナイロン樹脂を合成し、これが胃中の消化酵素であるペプシンの存在下で崩壊（図２）し分子量も低下することが見いだされました（図３）。今後、海洋ごみの中でも被害の多い釣り糸や漁網などへの応用を目指し、さらには自動車エンジン周りなどで使用されているナイロンを代替する物質として設計する予定です。将来的には海洋ごみ問題解決への道しるべを提供するだけでなく、大気中二酸化炭素削減などへの波及効果も考えられます。

＜代表的作成方法＞
　ロイシン由来のジカルボン酸1-（（S）-1-カルボキシ-3-メチルブチル）-5-オキソピロリジン-3-カルボン酸とヘキサメチレンジアミン（1.3g、10mol）をそれぞれアセトニトリルに溶解させた後に溶液を混合することでナイロン塩を析出させました（収率96％）。白色のナイロン塩を真空乾燥後170-180℃、50-60 rpmで激しく攪拌しバルクで重合しました。6時間後、粘性のあるポリマー溶融物が形成されました。これをDMFに溶解しアセトンに再沈殿することで精製を行いました。

＜今回の成果＞
　今回の成果は大きく分けて２つ示すことができます。
１）鏡像関係にあるアミノ酸を分子鎖で混合したナイロンを合成することで、結晶化度および熱的力学的物性が向上することを発見
　一般に再生可能な原料から得られる高分子は、熱的力学的性能が低く製造コストも高くなります。したがって、化石ベースのリソースと比較してパフォーマンスを向上させることができる合成アプローチを開発し、バイオベースのモノマーを利用することが重要です。ここでは、再生可能なイタコン酸とアミノ酸（D-またはL-ロイシン）から派生した新規な光学活性ジカルボン酸の生産に成功しました。まず、イタコン酸由来のイタコン酸ジメチルを出発物質として、剛直な不斉中心を持つ複素環式ジカルボン酸モノマーを高純度で得ました。これらのモノマーからアモルファスでありホモキラリティーを有するD-またはL-ロイシン由来のポリアミドを合成し、かつこれらをモノマー段階で混合したもの、オリゴマー段階で混合し追重合を行ったものを対象として研究を進めました（図１）。その結果、D-ロイシン由来のポリマー鎖とL-ロイシン由来のポリマー鎖との複合体は結晶化し、その結晶化度は36％に達しました。これは、キラル相互作用に由来するものと考えられます。得られた樹脂は、ガラス転移温度Tgが約117°C、溶融温度Tmが約213°Cであり、ポリアミド11などの従来のポリアミド（Tg約57°C）よりも高い値を示しました。さらに2.2〜3.8 GPaの高いヤング率および86〜108 MPaの高い力学強度を示しました（表１）。

２）バイオナイロン樹脂がペプシンの作用により崩壊し分解することを発見
　バイオナイロンの酵素分解を、哺乳類の胃の消化酵素であるペプシンを使用して調べました。少量（150 mg）のポリアミド樹脂（Mw; 24,300-26,400 g / mol）と1 wt％のペプシン（5 ml）をpH 4.0のバッファーに入れて分解試験を行いました（対照実験はペプシンなし）。サンプルをインキュベーター内で37°Cで6週間振とうした結果、時間の経過に伴い平均分子量が24,300〜26,400 g / molから14,600〜16,500 g / molに減少することがわかりました（図３）。ペプシンによるナイロンの分解中の視覚的変化も崩壊現象として確認されました（図２）。研究チームは以前に、イタコン酸由来ポリアミドのピロリドンの開環反応を報告しましたが、今回発見した酵素分解はピロリドンの開環を誘発したと考えられます。ここで発見したペプシン分解は、哺乳類が当該ナイロン系プラスチックを誤飲した場合でも、哺乳類の消化管の安全性を維持することにつながる可能性があります。

＜今後の展開＞
　本成果によりイタコン酸由来バイオナイロンの構造的な広がりが提案できました。今後、海洋ごみの中でも被害の多い釣り糸や漁網などへの応用を目指し、さらには自動車エンジン周りなどで使用されているナイロンを代替する物質として設計する予定です。将来的には海洋ごみ問題解決への道しるべを提供するだけでなく、大気中二酸化炭素削減などへの波及効果も考えられます。

＜参考図＞　　　　　　　　　　　図１　（A）イタコン酸とアミノ酸からなるジカルボン酸モノマーの合成

　　　　　　　　　　　　　　（B）（A）のジカルボン酸とヘキサメチレンジアミンからのバイオナイロンの重合反応式

表１　バイオナイロンの物性表

図２　バイオナイロンがペプシン存在下で崩壊していく様子

図３　ペプシンを作用させたD-ロイシン由来バイオナイロンのGPC

【論文情報】

令和3年5月10日

　知能ロボティクス領域のホ アン ヴァン准教授が提案した研究課題が、科学技術振興機構（JST）の「研究成果展開事業研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）トライアウトタイプ：with/postコロナにおける社会変革への寄与が期待される研究開発課題への支援」に採択されました。

　「A-STEPトライアウト」は、大学等の研究成果に基づいた技術の実現可能性を検証する公募型の研究開発費支援制度（研究費支援）と、マッチングプランナーによる産と学のマッチングや事業化に向けての研究開発活動の支援（人的支援）により、本格的な産学共同研究開発への移行へつなぐプログラムです。

　今回採択された「トライアウトタイプ：with/postコロナにおける社会変革への寄与が期待される研究開発課題への支援」は、「with/postコロナ社会の変革」や「社会のレジリエンス向上」を含めた社会課題の解決に資する、大学等の研究成果に基づいた、開発ニーズを持つ企業などが着目する技術の実現可能性を検証するための試験研究を、令和３年度公募を前倒しする形で、A-STEPトライアウトの形式を利用し、「トライアウトタイプ」として実施し、民間企業の投資意欲を刺激するとともに、with/postコロナ社会に資する新規性と経済的なインパクトを有する研究開発成果の社会的実装を加速することを目指します。

*詳しくは、JSTホームページをご覧ください。

【研究者名】知能ロボティクス領域　ホ アン ヴァン 准教授

■研究課題名
　人手に代わり食品を取扱い可能なユニバーサルロボットハンドの開発

■研究概要 　
　本研究は、様々な食品を、１つのロボットハンドで取り扱うことが可能となることで、設置やメンテナンスのコストを削減し、またロボットの稼働率を高めることを目指しています。そのため、柔らかい指先を模した機構や触覚センシングなどの独自技術を統合し、把持力を発揮する剛性と、壊れやすい食品を傷つけないソフトな接触を両立するロボットハンドを実現します。

令和3年4月13日