前田グループ

新しい環境材料の提案

 地球環境問題の1つである環境汚染は多様化しており、ターゲットにあう除去方法が望まれます。水質環境に着目すると、重金属イオンや富栄養化を引き起こす窒素やリン源に加え、着色が問題として挙げられ、対象物を吸着除去できる環境材料を提案する必要があります。

 当研究グループでは、表面特性の物理化学的なデザインから水質環境を改善することをめざした材料開発を進めています。溶液化学を用いるプロセスを主に使用して材料を合成し、構造や表面状態の分析、機能評価を行うことで、材料設計に展開し高機能化するアプローチで研究に取り組んでいます。

表面官能基のエネルギーの多様化によりフミン質を除去する

maeda-1

 腐食物質と呼ばれるフミン質は地球上に普遍的に存在しますが、5ppm程度溶液に存在するだけで褐色にするため、景観的に取り除くことが望まれます。フミン質は多種多様な構造を持つため、細孔構造を利用する吸着材料では包括的な除去が難しいとされています。

 そこで当研究グループでは、第一原理計算(研究協力:中山 将伸 教授 名古屋工業大学)からハイドロガーネット(Ca3Al2Six(OH)3-x)の可能性を見出し、その組成制御により表面官能基(Al-OH、Si-OH)の結合エネルギーを変えることで、迅速、かつ、高効率にフミン質を除去できる材料開発に成功しました。

このような独自の表面技術・設計を用いて、水質だけでなく大気汚染を引き起こす物質を除去する材料研究を進めているほか、環境負荷の低減を目指すため、回収するフミン質の循環利用による新たな機能性材料を創出する研究などを始めています。

構造変化を利用してリン酸イオンを資源化する

 河川などにリン酸源が多く存在すると富栄養化を引き起こすため、多くの対策が提案されています。そのひとつに、材料を添加しリン酸源と化学的に反応させることで、肥料などとして再利用する方法があります。この種の材料として、ケイ酸カルシウム水和物ゲルが挙げられますが、他の材料と比べリン酸回収量が低いことが改善点とされています。

maeda-2

 そこで当研究グループでは、機械的エネルギー付与による化学反応によりケイ酸カルシウム水和物ゲル構造を変化させることで、反応性を向上させリン酸イオン回収特性を高めることができました。このとき、その構造内に欠陥サイトが形成することを利用し、紫外線の照射によりリン酸イオン回収特性をさらに向上させることも見出しています。

 このような構造をチューニングすることで、既存の材料を高機能化する研究を進めているほか、ガラス構造への積極的な欠陥の導入による濡れ性制御の研究などを行っています。

生物に学ぶ機能性表面・材料の設計

 生物は自然環境で生活する上で、機能化された表面や構造を持っています。この種の機能を科学的に検証し、材料として展開することができれば、これまでにはない新しい機能性材料を作り出すことが可能となります。

maeda-3

 当研究グループでは、カタツムリに注目して、セルフクリーニング材料への展開を進めています。カタツムリの殻表面は間隔の異なる凹凸構造を持つため、人工物では発現しにくい特異な濡れ性を示します。表面構造の分析に加え、表面上での水の動きを科学的に理解することで、構造を利用する新しい機能性表面設計の提案を目指しています。

 このような生物の他にも、モルフォ蝶、珪藻に関する研究を始めているほか、生物の表面構造と機能発現の関係について研究を進めています。対象とする生物の物理化学的性質を様々な手法で解析し、機能化の原理を理解し、工学的に設計することで機能性材料を創製することを目標としています。

名古屋工業大学 環境共生材料研究室