未来の材料: グラフェンとリグニン

コンクリートの環境への影響に対する懸念の高まりにより、建築における木材の使用が再び表面化しています。 しかし、木材は周囲から湿気を吸収し、腐ったり、カビが生えたり、その他の損傷を引き起こします。 スウェーデンだけでも、建物の水害の修復にかかる費用は年間 5 億ユーロを超えています。 この問題に対処するために、グラフェン フラッグシップ アソシエイト メンバーであるスウェーデン研究所 (RISE) の研究者らは、周囲の湿度と木材内部の湿気の両方を検出できる、木材に埋め込まれたグラフェン センサーを開発しました。

RISE は、持続可能なエレクトロニクスと循環経済を通じて、森林由来の素材や製品をデジタル世界の一部にすることを目的としたデジタル セルロース センター (DCC) をコーディネートしています。 「グラフェン湿度および水分センサーは、エレクトロニクスの持続可能な方法を実際に実証しており、DCC の学界および産業界のパートナーの両方から高い関心を集めています」と RISE に拠点を置く DCC センター所長のウルスラ・ハス氏は述べています。

この「リグノグラフィー」手法では、チームはリグニン（多くの植物の細胞壁に含まれ、紙・パルプ産業の副産物である複雑な有機ポリマー）とグラファイトやセルロースで構成される印刷可能なインクを使用してセンサーをパターン化しました。レーザー光を照射するとグラフェンが生成します。

黒鉛化プロセスの後、これらのセンサーは、さまざまな種類の木材において 25°C で 10% ～ 90% の範囲の湿度レベルを測定できました。 スプルース材とパイン材に作製されたセンサーは高い感度を示し、湿度が 1% 増加するごとに値はそれぞれ 2.6 および 0.74 MΩ でした。 最後に、研究者らは、これらのセンサーによって収集された湿度の変化は、接続されたコンピューターを通じて遠隔から読み取ることも、単純な LED システムで視覚化することもできることを示しました。

市販のスプルース材を使用して製造された湿度センサー。 a) まず木材を、リグニンとセルロースポリマーを含む水性インクでトウヒの木の形にコーティングしました。 続いて、CO2 レーザーを使用してインク コーティングから 2 つのカーボン電極を作成しました。その一方で、電極間の一部のインクは触れずに残して、水分検知用の吸着層として機能させました。 b) 2 つのセンサーを木材の表面に作製し、1 つは前面から密閉し、もう 1 つは周囲環境に開放したままにしました。 （クレジット：RISE）

RISEの研究者らは、同様の「リグノグラフィー」プロセスを伴う、抵抗器や摩擦電気エネルギーハーベスタなどのリグニン黒鉛化電子部品も実証した。

「私たちのグループの研究は、木材や紙などの持続可能でリサイクル可能な材料をベースにしたバイオグラフェンベースのセンサー、エネルギーハーベスター、電子デバイスと回路の開発への道を切り開くものです。紙として廃棄できるこれらの材料を利用することで、電子ゴミ箱の必要性をなくしたいと考えています」と RISE の Mohammad Yusuf Mulla 氏は説明します。

RISEの研究者は、木材上の湿度センサー以外にも、リグニン・インダストリーズABおよびブルーム・リニューアブルズSAと協力して、圧力や機械的入力を検出できる新しいタイプのリグニンベースの材料の開発にも取り組んでいる。 たとえば、これらの「スマートマテリアル」を使用すると、ボタンを押す代わりに曲げたりタップしたりして、オン/オフスイッチや音量コントロールを操作できます。

研究チームは、リグニンを化学的に修飾して熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂の配合物にすることで、スマートなリグニンベースの材料を調製します。 BaTiO3 や還元酸化グラフェンなどの機能性添加剤がこれらの複合材料に添加されます。 BaTiO3 結晶に外力が加わると結晶構造が歪み、プラスとマイナスの電荷が分離して電界が発生します。 同時に、電気の優れた伝導体であるグラフェンは、リグニンベースの複合材料の伝導性を高め、電荷の効率的な伝達を可能にします。 鉛ベースの市販の圧電材料と比較して、リグニンベースの材料は、タッチセンサーや圧力センサーにとってより安全で持続可能な添加剤です。

「グラフェンのような新しい素材のおかげで、石油の代わりに木材から抽出でき、指でタップするだけで興味深いことができる次世代の素材を私たちは構想しています」とRISEのアビラッシュ・スグナン氏は語る。

参考文献

ムラ、モハマド・ユスフ、他 「木材および周囲環境の水分レベルを監視するためのバイオグラフェン センサー」 グローバル チャレンジ (2023): 2200235. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.202200235

エドバーグ、ジェスパー、他 「森林ベースの摩擦電気エネルギーハーベスター」 グローバル チャレンジ 6.10 (2022): 2200058. https://doi.org/10.1002/gch2.202200058

エドバーグ、ジェスパー、他 「フレキシブルエレクトロニクスおよびプリンテッドエレクトロニクスで使用するための森林ベースのインクのレーザー誘起黒鉛化」。 npj フレキシブル エレクトロニクス 4.1 (2020): 17. https://www.nature.com/articles/s41528-020-0080-2

デジタル セルロース センター (DCC)、https://digitalcellulosecenter.se/

サイエンス ライター兼「グラフェンの多様性」イニシアチブのコーディネーター。

サイエンス ライター兼「グラフェンの多様性」イニシアチブのコーディネーター。