Review
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【特集】 未来を拓くバイオナノファイバー
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特集にあたって
Introduction
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矢野浩之(京都大学 生存圏研究所 生物機能材料分野 教授)
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バイオナノファイバーの構造と物性
Structure and Properties of Bio-nanofiber
--------------------------------------------------------------------------------
西野孝(神戸大学 大学院 工学研究科 応用化学専攻 教授)
バイオ系のナノファイバーについて,代表的なセルロースと絹フィブロインを中心として構造を概観した。それとともに,実用物性として重要な力学物性(弾性率,強度),耐熱性について,分子レベルにさかのぼって解説した。生物の織りなす性能はきわめて高く,バイオナノファイバーでは特性がより顕著に現れることで今後の展開が期待できることを示した。
【目次】
1. はじめに―ナノファイバーに期待できること―
2. バイオナノファイバーの構造
2.1 セルロースの構造
2.2 タンパク質―絹フィブロインとケラチン―
3. バイオナノファイバーの力学物性―分子レベルから眺めると―
3.1 引張り弾性率
3.2 引張り強度
4. 耐熱性
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
TEMPO触媒酸化およびアミノ基のプロトン化によるキチンのファイバー化
Nano-fibrillation of Chitins by TEMPO-mediated Oxidation or Protonation of Amino Groups
--------------------------------------------------------------------------------
范一民(東京大学 大学院 農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 博士課程(日本政府奨学金留学生))
齋藤継之(東京大学 大学院 農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 助教)
本稿では,TEMPO触媒酸化とアミノ基のプロトン化という2種の異なるルートで,キチンフィブリルの表面を水中で帯電させ,キチンをフィブリル単位で分散させる手法について紹介する。この手法により,たとえばイカの甲を由来とするβ-キチンからは,幅が3～4nmで長さが数μmのナノファイバーの水分散体を調製することができる。
【目次】
1. はじめに
2. TEMPO触媒酸化によるセルロースのナノファイバー化
3. TEMPO触媒酸化によるキチンのナノファイバー化
4. 弱酸性下の機械処理によるキチンのナノファイバー化
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
微生物が紡ぐセルロースナノファイバー
A Bacterium Spinning a Cellulose Nanofiber
--------------------------------------------------------------------------------
笠井稚子(九州大学 日本学術振興会特別研究員)
富田陽子(九州大学 大学院 博士課程)
近藤哲男(九州大学 大学院 生物資源環境科学府・バイオアーキテクチャーセンター 教授)
植物由来と微生物由来のセルロースファイバーの階層構造の違いが,ファイバー表面の特性にまで影響を及ぼすことがわかってきた。本稿では,酢酸菌が紡ぎ出すナノファイバーの生合成機構から,現在行われている研究に加えて,これまで筆者らが行ってきたセルロース産生微生物を用いたボトムアップ型ならびにトップダウン型材料創製法について概説する。
【目次】
1. はじめに
2. マイクロビアルセルロースの生合成
2.1 セルロース合成酵素複合体
2.2 TCの集合状態とマイクロビアルセルロースナノファイバーの形状
3. 天然セルロースの結晶構造
4. マイクロビアルセルロースナノファイバーネットワーク(ペリクル)の展開
4.1 医療材料
4.2 酢酸菌をナノビルダーとして用いた機能性セルロース3次元構造体の構築
5. 水中カウンターコリジョン法によるペリクルからナノセルロースの創製
6. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
植物からのセルロースナノファイバー製造
Preparation of Cellulose Nanofiber from Plant Sources
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阿部賢太郎(京都大学 生存圏研究所 生物機能材料分野 日本学術振興会特別研究員)
ナノファイバーの製造や利用が積極的に行われている中で,植物の骨格成分であるセルロースもまたナノファイバー原料として注目されている。ここでは,セルロースナノファイバーがどんな原料からどのように得られるのかについて,現在までに行われてきた研究を概説する。
【目次】
1. はじめに
2. セルロースナノファイバーの原料
2.1 植物セルロース
2.2 バクテリアセルロース
2.3 ホヤセルロース
3. セルロースナノファイバーの製造法
3.1 機械的解繊
3.2 化学的解繊
4. セルロースナノファイバーの比較
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
セルロースナノファイバー不織布の開発
R&D for Cellulose Nanofiber Nonwoven Fabrics
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小野博文(旭化成(株) 研究開発センター 主幹研究員)
汎用パルプを湿式微細化によりセルロースミクロフィブリルに近い繊維径のナノファイバーとし,その希釈分散体から抄紙法製膜により得られる,通気性のある微細なネットワークだけからなるセルロースナノファイバー不織布(CNF)を開発した。CNFは最大孔径が0.1～0.2μm程度のきわめて小さな孔をもつ不織布であり,セルロースがもともと保有する耐熱性の高さや低熱膨張性も兼ね備えた新規材料として,種々の用途での利用が期待される。
【目次】
1. ナノファイバーを含むシート材料の技術動向
2. セルロースナノファイバー不織布CNFについて
3. CNFの製膜技術
4. CNFの物性
5. CNFの用途展開
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バイオナノファイバーから作る透明ナノマテリアル
Transparent Nano-materials from Bio-nanofibers
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能木雅也(京都大学 生存圏研究所 生物機能材料分野 日本学術振興会特別研究員)
薄型ディスプレイや太陽電池など将来のエレクトロニクスデバイスは,フレキシブルな低熱膨張性透明基板を用いたロールトゥロールプロセスにより作製される。バイオナノファイバーで作製した透明基板は,フレキシビリティーを保ちながらガラス並みの低熱膨張性をもった材料である。バイオナノファイバー透明材料がキーマテリアルになる日も近い。
【目次】
1. はじめに―なぜ透明材料か?―
2. 透明複合材料技術―エレクトロスピニングナノファイバー―
3. バイオナノファイバー透明材料
3.1 ナノファイバー補強透明材料の透明性
3.2 軟らかい超低熱膨張性透明材料
3.3 植物由来ナノファイバー補強透明材料
3.4 化学修飾セルロースナノファイバー補強透明材料
4. 透明ナノファイバーペーパー
5. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
セルロース強化ナノ複合材料
Cellulose-reinforced Nanocomposites
--------------------------------------------------------------------------------
アントニオ・ノリオ・ナカガイト(京都大学 生存圏研究所 研究員)
The exceptionally good mechanical properties of cellulose crystallites, with a Young’s modulus of 138GPa and an estimated strength of 10GPa, makes one wonder if this prosaic polymer produced by nature could not make a superb substitute for conventional high-performance reinforcing materials like glass or aramid. The answer is a resounding yes, though not without certain and sometimes serious difficulties and challenges to overcome, and this is a short compilation of some of the numerous efforts being made to exploit the cellulose’s mechanical properties to the most of its potential. This review article is not intended to be comprehensive, but just to serve as a brief collection of ideas and trends in the pursuit of mechanically sound composites based on reinforcing cellulose nanofibers.
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ナノ繊維の市場動向
Market Trend on Nanofibers
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シーエムシー出版 編集部
【目次】
1. 概要
2. 市場規模
3. 開発動向
3.1 植物由来セルロースナノファイバー
3.2 生分解性高分子複合材料
4. 企業動向
(1) 東レ
(2) 帝人
(3) 旭化成
(4) 北海道曹達
(5) KRI
(6) 昭和電工
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連載 ロボットテクノロジー都市の実現に向けて(6)
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ロボット制御における「中庸」の考え方
Concept of Moderation in Robot Control
--------------------------------------------------------------------------------
大須賀公一(神戸大学 大学院 工学研究科 機械工学専攻 教授)
本稿では,先端的なロボットの開発を考えるとき,「脳機能の実現は重要であることは明らかであるが,それは身体が有している巧みな力学特性の上に構築されるべきである」という主張を行った。具体的には,受動的動歩行を詳細に述べ,そこでは能動的な制御を加えずともある種の適応的な機能が力学系として内在しているという考えを述べた。さらにそこからの展開として,生き物であるわれわれがもっている移動知の核構造になることを主張した。
【目次】
1. はじめに
2. ロボティクスにおける中庸
2.1 歩行にみる中庸
2.2 ZMP規範歩行
2.3 受動的動歩行
(1) 引き込み現象
(2) 分岐現象
(3) 適応機能
2.4 準受動的動歩行
3. 生物における中庸
4. おわりに
--------------------------------------------------------------------------------
計算機シミュレーションによる分子デバイスの設計と評価(3)
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フラーレンC60誘導体材料における電子輸送:その本質の理解に基づく新規材料設計
Electron Transport in Fullerene C60 Derivatives:New Material Design based on Understanding of the Essence
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徳永健(九州大学 高等教育開発推進センター 助教)
川畑弘(京都大学 大学院 工学研究科 電子工学専攻 助教(現 科学技術政策研究所 上席研究官))
フラーレンC60は有機デバイスの電子輸送材料として知られる。しかしながら,実際には溶液プロセスに適応できるC60誘導体にして用いることが多いため,C60以上に,C60誘導体の電子輸送特性に興味がもたれる。本稿では,C60誘導体における付加基の種類・付加位置と電子輸送特性の関係を解明する最近の取り組みとともに,C60誘導体材料の効率的な設計手法を紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. フラーレン誘導体の電子輸送特性
2.1 マーカス理論と再配列エネルギー
2.2 再配列エネルギーの計算方法
2.3 付加基の種類と再配列エネルギー
2.4 付加位置と再配列エネルギー
(1) 電子状態の変化
(2) 分子構造の緩和
3. おわりに
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特集にあたって
Introduction
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矢野浩之(京都大学 生存圏研究所 生物機能材料分野 教授)
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バイオナノファイバーの構造と物性
Structure and Properties of Bio-nanofiber
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西野孝(神戸大学 大学院 工学研究科 応用化学専攻 教授)
バイオ系のナノファイバーについて,代表的なセルロースと絹フィブロインを中心として構造を概観した。それとともに,実用物性として重要な力学物性(弾性率,強度),耐熱性について,分子レベルにさかのぼって解説した。生物の織りなす性能はきわめて高く,バイオナノファイバーでは特性がより顕著に現れることで今後の展開が期待できることを示した。
【目次】
1. はじめに―ナノファイバーに期待できること―
2. バイオナノファイバーの構造
2.1 セルロースの構造
2.2 タンパク質―絹フィブロインとケラチン―
3. バイオナノファイバーの力学物性―分子レベルから眺めると―
3.1 引張り弾性率
3.2 引張り強度
4. 耐熱性
5. おわりに
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TEMPO触媒酸化およびアミノ基のプロトン化によるキチンのファイバー化
Nano-fibrillation of Chitins by TEMPO-mediated Oxidation or Protonation of Amino Groups
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范一民(東京大学 大学院 農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 博士課程(日本政府奨学金留学生))
齋藤継之(東京大学 大学院 農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 助教)
本稿では,TEMPO触媒酸化とアミノ基のプロトン化という2種の異なるルートで,キチンフィブリルの表面を水中で帯電させ,キチンをフィブリル単位で分散させる手法について紹介する。この手法により,たとえばイカの甲を由来とするβ-キチンからは,幅が3～4nmで長さが数μmのナノファイバーの水分散体を調製することができる。
【目次】
1. はじめに
2. TEMPO触媒酸化によるセルロースのナノファイバー化
3. TEMPO触媒酸化によるキチンのナノファイバー化
4. 弱酸性下の機械処理によるキチンのナノファイバー化
5. おわりに
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微生物が紡ぐセルロースナノファイバー
A Bacterium Spinning a Cellulose Nanofiber
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笠井稚子(九州大学 日本学術振興会特別研究員)
富田陽子(九州大学 大学院 博士課程)
近藤哲男(九州大学 大学院 生物資源環境科学府・バイオアーキテクチャーセンター 教授)
植物由来と微生物由来のセルロースファイバーの階層構造の違いが,ファイバー表面の特性にまで影響を及ぼすことがわかってきた。本稿では,酢酸菌が紡ぎ出すナノファイバーの生合成機構から,現在行われている研究に加えて,これまで筆者らが行ってきたセルロース産生微生物を用いたボトムアップ型ならびにトップダウン型材料創製法について概説する。
【目次】
1. はじめに
2. マイクロビアルセルロースの生合成
2.1 セルロース合成酵素複合体
2.2 TCの集合状態とマイクロビアルセルロースナノファイバーの形状
3. 天然セルロースの結晶構造
4. マイクロビアルセルロースナノファイバーネットワーク(ペリクル)の展開
4.1 医療材料
4.2 酢酸菌をナノビルダーとして用いた機能性セルロース3次元構造体の構築
5. 水中カウンターコリジョン法によるペリクルからナノセルロースの創製
6. おわりに
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植物からのセルロースナノファイバー製造
Preparation of Cellulose Nanofiber from Plant Sources
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阿部賢太郎(京都大学 生存圏研究所 生物機能材料分野 日本学術振興会特別研究員)
ナノファイバーの製造や利用が積極的に行われている中で,植物の骨格成分であるセルロースもまたナノファイバー原料として注目されている。ここでは,セルロースナノファイバーがどんな原料からどのように得られるのかについて,現在までに行われてきた研究を概説する。
【目次】
1. はじめに
2. セルロースナノファイバーの原料
2.1 植物セルロース
2.2 バクテリアセルロース
2.3 ホヤセルロース
3. セルロースナノファイバーの製造法
3.1 機械的解繊
3.2 化学的解繊
4. セルロースナノファイバーの比較
5. おわりに
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セルロースナノファイバー不織布の開発
R&D for Cellulose Nanofiber Nonwoven Fabrics
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小野博文(旭化成(株) 研究開発センター 主幹研究員)
汎用パルプを湿式微細化によりセルロースミクロフィブリルに近い繊維径のナノファイバーとし,その希釈分散体から抄紙法製膜により得られる,通気性のある微細なネットワークだけからなるセルロースナノファイバー不織布(CNF)を開発した。CNFは最大孔径が0.1～0.2μm程度のきわめて小さな孔をもつ不織布であり,セルロースがもともと保有する耐熱性の高さや低熱膨張性も兼ね備えた新規材料として,種々の用途での利用が期待される。
【目次】
1. ナノファイバーを含むシート材料の技術動向
2. セルロースナノファイバー不織布CNFについて
3. CNFの製膜技術
4. CNFの物性
5. CNFの用途展開
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バイオナノファイバーから作る透明ナノマテリアル
Transparent Nano-materials from Bio-nanofibers
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能木雅也(京都大学 生存圏研究所 生物機能材料分野 日本学術振興会特別研究員)
薄型ディスプレイや太陽電池など将来のエレクトロニクスデバイスは,フレキシブルな低熱膨張性透明基板を用いたロールトゥロールプロセスにより作製される。バイオナノファイバーで作製した透明基板は,フレキシビリティーを保ちながらガラス並みの低熱膨張性をもった材料である。バイオナノファイバー透明材料がキーマテリアルになる日も近い。
【目次】
1. はじめに―なぜ透明材料か?―
2. 透明複合材料技術―エレクトロスピニングナノファイバー―
3. バイオナノファイバー透明材料
3.1 ナノファイバー補強透明材料の透明性
3.2 軟らかい超低熱膨張性透明材料
3.3 植物由来ナノファイバー補強透明材料
3.4 化学修飾セルロースナノファイバー補強透明材料
4. 透明ナノファイバーペーパー
5. おわりに
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セルロース強化ナノ複合材料
Cellulose-reinforced Nanocomposites
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アントニオ・ノリオ・ナカガイト(京都大学 生存圏研究所 研究員)
The exceptionally good mechanical properties of cellulose crystallites, with a Young’s modulus of 138GPa and an estimated strength of 10GPa, makes one wonder if this prosaic polymer produced by nature could not make a superb substitute for conventional high-performance reinforcing materials like glass or aramid. The answer is a resounding yes, though not without certain and sometimes serious difficulties and challenges to overcome, and this is a short compilation of some of the numerous efforts being made to exploit the cellulose’s mechanical properties to the most of its potential. This review article is not intended to be comprehensive, but just to serve as a brief collection of ideas and trends in the pursuit of mechanically sound composites based on reinforcing cellulose nanofibers.
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ナノ繊維の市場動向
Market Trend on Nanofibers
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シーエムシー出版 編集部
【目次】
1. 概要
2. 市場規模
3. 開発動向
3.1 植物由来セルロースナノファイバー
3.2 生分解性高分子複合材料
4. 企業動向
(1) 東レ
(2) 帝人
(3) 旭化成
(4) 北海道曹達
(5) KRI
(6) 昭和電工
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連載 ロボットテクノロジー都市の実現に向けて(6)
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ロボット制御における「中庸」の考え方
Concept of Moderation in Robot Control
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大須賀公一(神戸大学 大学院 工学研究科 機械工学専攻 教授)
本稿では,先端的なロボットの開発を考えるとき,「脳機能の実現は重要であることは明らかであるが,それは身体が有している巧みな力学特性の上に構築されるべきである」という主張を行った。具体的には,受動的動歩行を詳細に述べ,そこでは能動的な制御を加えずともある種の適応的な機能が力学系として内在しているという考えを述べた。さらにそこからの展開として,生き物であるわれわれがもっている移動知の核構造になることを主張した。
【目次】
1. はじめに
2. ロボティクスにおける中庸
2.1 歩行にみる中庸
2.2 ZMP規範歩行
2.3 受動的動歩行
(1) 引き込み現象
(2) 分岐現象
(3) 適応機能
2.4 準受動的動歩行
3. 生物における中庸
4. おわりに
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計算機シミュレーションによる分子デバイスの設計と評価(3)
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フラーレンC60誘導体材料における電子輸送:その本質の理解に基づく新規材料設計
Electron Transport in Fullerene C60 Derivatives:New Material Design based on Understanding of the Essence
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徳永健(九州大学 高等教育開発推進センター 助教)
川畑弘(京都大学 大学院 工学研究科 電子工学専攻 助教(現 科学技術政策研究所 上席研究官))
フラーレンC60は有機デバイスの電子輸送材料として知られる。しかしながら,実際には溶液プロセスに適応できるC60誘導体にして用いることが多いため,C60以上に,C60誘導体の電子輸送特性に興味がもたれる。本稿では,C60誘導体における付加基の種類・付加位置と電子輸送特性の関係を解明する最近の取り組みとともに,C60誘導体材料の効率的な設計手法を紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. フラーレン誘導体の電子輸送特性
2.1 マーカス理論と再配列エネルギー
2.2 再配列エネルギーの計算方法
2.3 付加基の種類と再配列エネルギー
2.4 付加位置と再配列エネルギー
(1) 電子状態の変化
(2) 分子構造の緩和
3. おわりに
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