音で架橋高分子材料の解体と力学物性制御を実現東京大学

東京大学大学院総合文化研究科は2023年7月20日、スタンフォード大学、サンパウロ大学と共同で、音を感じて力学物性が変化する新素材「感音性物質」と、高密度焦点式超音波（HIFU）デバイスで材料内部の局所物性を音で操る方法論を発表した。材料内部の遠隔的物性操作で、役目を終えた材料の必要な部分だけを解体、加工、再利用する道が拓かれる。

身の回りのさまざまな高分子材料には、熱的、力学的、化学的耐久性を賦与する目的で架橋が施されているが、高分子材料に施された架橋は、役目を終えた材料の再資源化を妨げることが問題となっていた。

物質科学分野では動的共有結合（DCB）を駆使した架橋材料が課題の解決に向けて提案されている。とりわけ、ピンポイントに作用させることができる光刺激は、意図した部分のみを意図したタイミングで解体する有効な外部刺激として、DCBの解離に応用されてきた。しかし、光刺激は材料内部への作用が困難であるという課題がある。

この課題を解決する外部刺激として、研究グループは「音」に着目。媒体の振動の伝播によって特徴づけられる音波は、材料内部に作用させたり、障害物を回り込ませたりすることができる外部刺激と考えられる。

特にHIFUは、エネルギーを焦点に集中でき、ピンポイントな治療ができる医療行為として応用されてきた。そこで、音を感じる材料（感音性材料）と、感音性材料の物性を音で操る方法論を開発した。

外部刺激としての光と音の特徴の整理

研究グループは、HIFUに極めて良好に応答する感音性材料として、ヘキサアリールビイミダゾール（HABI）を鎖中に持つ架橋高分子を見出した。HABIを構成する二つのイミダゾール環の間の共有結合の結合解離エネルギー（BDE＝100 kJ/mol）は小さく、HABIは光刺激で可逆的に開裂してトリフェニルイミダゾリルラジカル（TPIR）を生成する物質として知られている。研究では、これに対し、HABI由来のDCBを含む架橋高分子が、感音性材料として振る舞うことがわかった。

研究グループは、感音性材料からなる3次元造形物を液槽光重合（vat-photopolymerization: VP）方式の3Dプリンティング（3DP）で作製し、独自製作したHIFUデバイスで、中心が焦点となるようにHIFUを照射した。その結果、一定の出力を超えたところで、TPIRの生成に由来する色変化が照射部位のみにみられた。

この色変化がTPIRの生成によることは、電子スピン共鳴法で突き止められた。HIFU照射前後の力学物性を比較したところ、照射後に造形物の貯蔵弾性率（G’）が顕著に低下した。また、室温ではG’が低下したまま維持されるが、適度に加温すると上昇した。

これらの結果から、感音性物質へのHIFU照射に伴う力学物性変化が可逆的であることもわかった。HIFUの出力を上げると、造形物にHABI由来のDCBが含まれているか否かによらず、遠隔的に材料内部を破壊、解体できる。

接着剤は架橋高分子の用途の一つだが、材料同士を強固に固定するため、使用後に分離できない場合、廃棄を余儀なくされてきた。

しかし、開発した新材料と新技術を融合して打ち出した新コンセプト「音動的共有結合性物質の工学（Acoustodynamic Covalent Materials Engineering：ADCME）」に基づくと、研究で製作したHIFUデバイスに、高いエネルギーを印加することで、感音性材料であるか否かによらず、さまざまな架橋高分子材料を簡単に解体できる。また、3DPによる造形物の力学物性操作にも用いることができる。

ADCMEは、樹脂、接着剤、3DPによる造形物の解体、再加工、再利用を可能にする基本概念の一つとして、将来的にさまざまな産業に貢献することが期待される。

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