温度上昇による高分子ゲルの相分離の模式図
北海道大学は2019年11月19日、低温では柔らかいゴム状態だが、高温で瞬時に約2000倍硬くなる新規高分子ハイドロゲルを開発したと発表した。もう一度低温に戻せば、硬さも元に戻るという。
開発されたゲルは、食品添加物にも使われるような汎用性のある安価で無毒なポリアクリル酸ゲルを高分子重合により合成し、得られたゲルを同じく安価で毒性のない酢酸カルシウム水溶液に浸すだけの非常に簡単な方法で作製されている。高分子の3次元的な網目構造からなり、その網目の中に多量の水分子が保持されている。
このゲルは、低温では透明で柔らかいゴム状態だが、高温では相分離し、ミクロな領域で高分子が濃厚な相と希薄な相の2相に分かれる。そのため、瞬時にゲルが白濁し、極めて硬いガラス状態に変化する。ゲルが厚さ1mm程度のシート状の場合、低温状態では重りを持ち上げられない。しかし、高温の相分離後では10kgの重りを持ち上げることが可能だ。
本高分子ゲルの相分離の様子。高温では硬くなり重りを持ち上げることができる
硬さの変化は最大で1800倍に達する。また、温度による硬さの変化は完全に可逆的で、低温に戻し柔らかくした後、また高温で硬くし、さらに低温で柔らかくし――と、硬化を何度でも急激に繰り返えせる。しかも、ポリアクリル酸ゲルと酢酸カルシウムの濃度により、相転移温度を40〜100℃の範囲でチューニングできる。
開発したゲルの用途を示すために、研究グループは2つの実用的なデモを行った。1つは、交通事故やスポーツのアクシデントを想定したスマートプロテクターだ。これは、摩擦熱で硬くなり身体や衣服を保護するというもの。この高分子ゲルとガラス繊維布を複合した材料を、時速80kmで5秒間荷重を掛けてアスファルトの表面に押し付け引きずっても、摩擦熱で硬くなりほぼ壊れなかった。
もう1つは、熱吸収材としての応用だ。開発された高分子ゲルは、相分離時に大きな吸熱反応を伴う。そのため、高分子ゲルを貼った窓に対し、熱光源から光を照射すると、相分離構造形成に熱の一部が消費される。これにより、高分子ゲルがない状態と比べ、室内の温度上昇を15℃程度低く抑えることに成功した。室内の温度上昇を低減する省エネ型の空調システムへの応用が期待できる。
