押すと変色し、元の色にも戻せる紙を開発――メカノクロミック材料をCNFへ混ぜ込む名古屋大と都産技研

名古屋大学は2024年1月30日、同大学大学院工学研究科および未来社会創造機構マテリアルイノベーション研究所、東京都立産業技術研究センターの共同研究グループが、押すと変色し、アルコールで元の色に戻せる紙を開発したと発表した。

メカノクロミズム（外部からの機械的刺激により変色する現象）は、圧力センサーやディスプレイデバイス、記録デバイスなどへの応用が期待されている。

同研究グループは、立体的に混みあった構造を有する「FA化合物」が、機械的刺激によって黄色から緑色へと変色するメカノクロミズムを示すことを以前に発見していた。

今回の研究では、FA化合物をセルロースナノファイバー（CNF）に混ぜることで、押圧により変色するメカノクロミックペーパーを開発した。

CNFは、機械処理や化学処理により木材をナノサイズにまでほぐした天然物由来の材料だ。高強度なほか軽量性や安全性に優れており、環境負荷も低い。このため、建築や化粧品、食品、電子デバイスといったさまざまな分野にて研究や実用化が進んでいる。

今回の研究では、繊維径が異なる3種のCNFを溶かした水溶液にFA化合物を混ぜ込み、型に流し込んで乾燥させてメカノクロミックペーパーをそれぞれ作製した。

メカノクロミックペーパーの作製方法

FA化合物の粉末と同じく、同ペーパーが機械的刺激により黄色から緑色に変色することを確認した。また、変色した緑色の部分は、アルコールと接触させることで、以前の黄色へ戻ることも確認している。

メカノクロミックペーパーの色が変わる様子、元の色に戻る様子

さらに、走査電子顕微鏡や接触角測定などによる表面解析を行ったところ、色の戻りやすさがCNFの繊維径に起因していることも判明した。

次に、ナノインプリントにより垂直応力を加えたサンプルに対して、紫外可視分光法を用いて被加圧範囲の吸収波長を測定。25～300MPaの範囲で、機械的圧力に対して線形応答を示した。

加えて、より簡便な検出方法としてCYM色彩解析を用いた画像処理を行ったところ、紫外可視分光法と同様に線形応答し、掛けた圧力が定量的に測定された。色の濃淡を抽出できるため、押圧の強さの分布を可視化することが可能となっている。

圧力に応答した色の変化とその数値変換

圧力の可視化イメージ

今回の研究結果により、CNFへ混ぜ込むという簡便な方法でメカノクロミックペーパーの作製が可能となった。

また、アルコール接触により元の黄色へと戻せるため、繰り返し使用することが可能。さらに、画像処理により圧力分布を可視化できるため、圧力測定紙としても利用可能なことが判明した。

これらの成果は、CNFのさらなる応用研究の進展に寄与することが期待される。

押すと変色し、元の色にも戻せる紙を開発――メカノクロミック材料をCNFへ混ぜ込む　名古屋大と都産技研