軽量でカラフルな塗料を作るために使用される無色のナノ粒子

プラズモン駆動

ナノ粒子は特定の波長の光を操作して色を作り出します。

カラフルな蝶の画像

蝶の羽の素材は、光の特定の波長の進路を変えることで色を作り出します。これが新しい塗料のインスピレーションとなりました。クレジット：ゲッティイメージズ

海に漂うマイクロプラスチック汚染の50%以上が着色塗料によるものだとご存知ですか？壊れたおもちゃ、小さなボトルキャップ、靴など、人々が海に捨てるほぼすべての物には、何らかの色の塗料が塗られています。海に捨てられたプラスチック製品をすべて集めようとしても、すでに水中に混入しているマイクロプラスチックを回収することは不可能です。

塗料由来の粒子は、海の問題であるだけでなく、私たちが呼吸する空気にも混入します。2010年、科学者たちは市販の壁塗料に使用されている化学物質が子供の健康に及ぼす影響について研究しました。その結果、高濃度の揮発性有機化合物（VOC）を含む塗料で壁を覆った部屋で寝る子供は、湿疹や喘息などの疾患を発症する可能性が高くなることが分かりました。

ということは、市販の塗料は今後も私たちの環境と健康を悪化させ続けるということでしょうか？しかし、新たな希望の光があります。セントラルフロリダ大学（UCF）の研究者たちが最近発表した論文では、「プラズモニック塗料」について言及しています。これは軽量で環境に優しい素材で、ほとんどの着色塗料に取って代わる可能性があります。彼らは、このプラズモニック塗料は顔料や顔料を保持するために必要なあらゆる材料を使用しないため、世界で最も軽い塗料でもあると主張しています。

研究の筆頭著者であり、カリフォルニア大学サンフランシスコ校（UCF）ナノサイエンス技術センターの研究者であるパブロ・センシージョ・アバド氏は、Ars Technicaに対し、「私たちの超軽量塗料は世界最軽量であり、従来の顔料の代わりに使用することで物体の総重量を軽減することができ、航空宇宙産業にとって非常に有益です」と語った。

彼はさらにこう付け加えた。「すぐに使える応用例として、ボーイング747ジャンボジェット機のような大型物体を考えてみましょう。従来の塗料では、このような物体を塗装するには通常1,000ポンド（454kg）を超える大量の塗料が必要です。しかし、私たちのプラズモニック塗料ならわずか約3ポンド（1.4kg）で済みます。これは驚くべきことに、重量を400分の1にまで削減できることになります。」

プラズモニック幾何学が色を作り出す

プラズモニクスは、電子の運動が金属中の光の伝播にどのような影響を与えるかを研究する科学分野です。提案されているプラズモニック塗料は、構造色現象を利用して色を生成します。構造色とは、孔雀や蝶に鮮やかで目を引く色彩を与える現象です。これらの動物の羽毛、皮膚細胞、鱗の幾何学的な配置は、光線の進行方向を変化させ、光線が様々な角度に曲がることで、異なる色を生み出します。

プラズモニックペイントの構造色は蝶に着想を得たもので、アルミニウムナノ粒子と酸化アルミニウムナノ構造という2つの無色の材料で構成されています。UCFの研究チームは、これらの粒子の配列を変えるだけで可視光を操作し、あらゆる色を作り出すことができます。これにより、世界初のフルカラー構造ペイントが誕生しました。

「私たちの構造用塗料は、アルミニウムナノ粒子を用いて光のスペクトル成分を制御し、構造形成のパラメータを変えるだけで、多様な可視色を生成します。光が構造に当たると、粒子を構成する金属の電子が振動を始め、特定の色を捉え、他の色を反射します（この効果はプラズモニック共鳴と呼ばれます）。重要なのは、吸収される色がナノ粒子の特定の形態によって決まることです。つまり、粒子のサイズを変えると、吸収する色も変わり、異なる色相を生み出すのです」とアバド氏は述べた。

一方、顔料ベースの色は、色素分子を用いて特定の波長の光を吸収することで機能します。例えば、植物の緑色は、クロロフィル分子が青と赤の光を吸収し、緑を反射することで生じます。この場合、色は単に使用されている材料の特性の結果です。構造色は、材料自体の性質ではなく、光との相互作用を制御することで色を生み出します。

構造塗料が化学着色に比べて優れている点は、顔料分子は時間の経過とともに解離して色を失う可能性があるのに対し、構造着色は非常に安定した材料で作られるため、構造が物理的に損傷されない限り色を保つことができることです。そのため、プラズモニック塗料は標準的な塗料よりも耐久性に優れています。

双方にメリットがある

研究著者らによると、プラズモニック塗料の利点は耐久性だけではありません。例えば、従来の塗料によく見られるVOC（揮発性有機化合物）や汚染物質は含まれていません。さらに、顔料分子や染料を化学的に合成するのではなく、ナノファブリケーション法によって自己組織化されるため、無毒です。

そのため、プラズモニック塗料でコーティングされた壁や物体は、多くの塗料のように人体や環境に悪影響を与えることはありません。また、プラズモニックナノ粒子は可視光線のうち特定の波長の光を選択的に除去し、それ以外の光を反射するように設計されているため、従来の塗料（可視光線に加えて赤外線も吸収する）と比較して熱吸収がはるかに少なく、屋内や車内の電力消費やエアコンの使用を減らす可能性があります。

プラズモニック塗料は非常に柔軟性に優れています。現在、塗料メーカーが顔料ベースの色を新たに生み出すには、新たな顔料分子が必要となります。プラズモニック塗料は、単一の配合で幅広い新しい色を作り出すことができます。必要なのは、塗料中のナノ構造の幾何学的配置を変えることだけです。

さらに驚くべきことは、壁全体や物体を覆うのにプラズモニック塗料を1回塗るだけで済むことです。化学顔料は体積効果を利用するため、塗料の体積、つまり厚さが目的の色周波数を反射するのに十分な量になるように、物体を複数の層で塗る必要があります。通常、塗料の厚さはマイクロメートルからミリメートル単位です。プラズモニック塗料は光との相互作用を制御・操作できるため、「人間の髪の毛の500分の1から1000分の1の薄さであるナノメートル単位の単層でも、完全に反射するようにすることができます」とアバド氏は述べています。

プラズモニックペイントの大規模生産には制限がありません。ここで使用される主成分はアルミニウムで、これは地球の地殻に最も豊富に存在する金属です。「私たちのペイント製造プロセスは、エレクトロニクス、半導体、コーティング業界で既に一般的に使用されている技術を用いています。つまり、ペイント製造に必要なインフラと専門知識は既に存在しており、需要に合わせてプロセスを容易にスケールアップできます。したがって、大規模な商業用途にとって非常に実用的で実現可能なソリューションです」とアバド氏はArs Technicaに語りました。

使用準備はできていますか?

プラズモニック塗料は、従来の着色塗料に代わる、持続可能で拡張性に優れ、軽量で環境に優しい代替品となることが期待されていますが、まだ店頭販売できる段階には至っていません。研究著者らは、プラズモニック塗料の開発はまだ初期段階にあり、生産コストが高いと主張しています。彼らは、プラズモニック塗料の効率と費用対効果を高めるため、新たな用途の開拓と生産方法の改良に取り組んでいます。

アバド氏と彼のチームは、プラズモニック熱放射シールドの開発にも取り組んでおり、その塗料を生分解性機能性ポリマーと複合化させようとしています。これにより、外部刺激に応じて色を変化させるコーティングが可能になり、環境センシングや「スマート」ペイントにも最適なものとなります。「この技術は塗料業界に革命をもたらし、幅広い分野で新たなイノベーションを可能にする可能性を秘めていると確信しています」とアバド氏は語りました。

Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf7207 (DOIについて)

ルペンドラ・ブラハンバットは、経験豊富なジャーナリスト兼映画製作者です。科学と文化のニュースを取材し、過去5年間、世界各地で活動する最も革新的な報道機関、雑誌、メディアブランドと積極的に協力してきました。

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