• 有機ポリマーとセラミックの複合ネットワーク構造で高強度も達成
• ３０ナノメーター以下の極限的な薄さ、無欠陥、フレキシブル、変形も自在
• バイオ、エネルギー、環境への応用展開の可能性

1.

背　景

液晶テレビ、センサー、浄水器をはじめ、化学工場でのさまざまな物質の分離、さらには海水の淡水化など、「膜」は多くの場面で使われ続け、いまや日常生活だけでなく多くの産業にとって欠くことのできない材料の一つとなっています。このような「膜」に求められる性能は、大面積であっても穴などの欠陥がないこと、出来るだけ薄いこと、強度が十分で簡単に破れないこと、さまざまな利用に耐えること、必要に応じた機能を組み込むことが容易であることなどです。特に、膜の厚みを薄くしてもその機能を十分に発揮することが重要ですが、長年の多くの研究開発の結果、膜の変形を防ぐ支持体がない場合には、１ミクロン前後の厚みが実用的な限界とされていました。この厚みのため、例えば逆浸透法と呼ばれる海水淡水化のプラントでは、真水を製造するために「膜」に高い圧力を加えることが必要となり、高い圧力を加えるためのエネルギーコストを下げることが出来ません。今後、世界的に最も不足する資源は「真水」と言われており、低いエネルギーコストで製造する手法の開発が望まれてもいます。このコスト問題を解決するということは、出来るだけ少ないエネルギーで海水から不純物を取り除き、真水を製造することができる「膜」を開発することといっても過言ではありません。 　このように現在の実用膜が抱えている課題を解決するために、研究グループでは、無欠陥で高い強度を持ち、大面積の超薄膜の作製を研究の目標としてきました。これまで知られている中で最も薄い膜は、全ての生物が保有している細胞膜です。この細胞膜は、非常に巧妙な多くの機能を持っていながら、その厚みは、わずか２個分の分子のサイズ（５〜１０ナノメーター）しかありません。しかし、細胞膜をこの厚さのまま大面積化することは不可能です。このため、大面積で１０ナノメーター程度の厚みを持ち、さまざまな機能を組み込みながらも丈夫で無欠陥というのが人工膜開発の極限の目標と考えてもよいでしょう。

2.

研究手法及び研究成果

開発した膜は、原料にセラミックの一種であるジルコニアと橋架けアクリルポリマーを使ったもので、この二つの材料が作り出す２種の分子ネットワークが互いに絡み合う「ＩＰＮ（interpenetrating polymer network：入れ子型ポリマーネットワーク）」を特徴とします。具体的には、それぞれの前駆体であるアクリルモノマーとジルコニウムアルコキシドを適切な量混合し、数十秒間、紫外光照射しながら薄膜製造で一般に使われる、スピンコート※２することで作製しました（図1）。 　この一連の作業で、シリコンまたはガラス基板上に作成した犠牲層※３は溶解性が高いので、基板をエタノールに浸すと犠牲層は容易に溶けて目的とするＩＰＮ超薄膜が基板から剥がれてエタノール中に浮かんできます（図２）。 　この膜を多孔質アルミナフィルムに移しとり、走査型電子顕微鏡で観察すると、断面の観察から膜厚は３５ナノメーターであることがわかり（図３）、また表面の観察からは、一様で欠陥がないことが明らかとなりました（図４）。エタノール中に浮かんでいるこの膜（４センチ×４センチ）を内径３２０ミクロンのミクロピペットで吸い込むと、膜全体が自然に折りたたまれて吸い込まれ、排出すると元のサイズを失うことなく出てくる柔軟性があります（図５）。すなわち、３０,０００分の１のサイズになって吸い込まれているという驚くべき柔軟性を示しました。また１０２メガパスカルという十分な引張り強度も備えています。このような極度の柔軟性はこれまで知られていません。

3.

今後の期待

今回の手法で、膜厚数十ナノメーターという極限的な薄さに加え実用的な強度とサイズを持つ膜を作製出来ることが明らかになりました。この新しい方法を用いて、目的に応じたさまざまな機能をもつ超薄膜の開発が、新しい素材を使って加速することが期待できます。海水の淡水化や高性能燃料電池の開発は、特定の物質だけを選択的にかつ高効率で透過させる膜をいかに設計するかに懸かっています。本研究で確立された膜作成法は、このような機能膜を含む多くの高分子材料に応用できます。資源やエネルギーの分野での応用研究が急速に進むと期待しています。一方で、膜厚は１０ナノメーター程度まで達しています。これは細胞膜やそこに含まれるたんぱく分子のサイズに近い値です。従って、生物が持っている細胞膜機能を人工的に大面積で展開する研究も進めることができます。つまり、これまで微粒子やリポソームなどミクロな分散体として利用されてきた生物の分子機能を、マクロな形で直接に利用できるようになると期待できます。 　ナノとマクロの両方の構造を併せ持った膜の応用は、バイオ、エネルギー、環境の広い分野で幅広く展開されることになるでしょう。

<補足説明>

※1	ＩＰＮ（interpenetrating polymer network：入れ子型ネットワーク）
	２個以上の網目が分子スケールで少なくとも部分的に織り混ざっており、互いに共有結合でつながっているわけではないが化学結合を切ることなしに分けることのできないポリマーをいう。
※2	スピンコーティング（スピンコート）
	高分子固体フィルムを作製する方法の一つ。半導体素子製造のためのリソグラフィー で、レジストの塗布に使われる。高分子単独、あるいは高分子と分散させる機能性物質を溶媒に溶かし、この溶液を回転している基板の中心に滴下すると周辺部へひろがると同時に溶媒が蒸発し、基板上にフィルムが形成される。数十ナノメーター〜数マイクロメーター程度の均質な薄膜を容易に作製することができる。
※3	犠牲層
	後工程で除去することを前提に形成した層。部分的に膜を形成したり、あるいは二つの膜を分離する場合によく用いられる。

図１　超薄膜の作製方法

図２　超薄膜の生成

エタノール中で超薄膜が基板から分離した様子。

図３　生成した超薄膜の電子顕微鏡写真

３５ナノメーターの薄さの大薄膜が形成された。

図４　生成した超薄膜の表面の電子顕微鏡写真

表面に欠陥が存在しない一様な膜が形成された。

図５　膜強度の確認

作製した膜は、ピペットで吸い込んでから排出しても 元のサイズを失うことなくでてくるほどの強度を持つ。 サイズ　4cm×4cm、膜厚35nm