溶媒誘起の分子集合で実現した勾配構造の全セルロース生体発泡体——持続可能な断熱モジュールのために

よりクリーンな未来のための新しい発泡体

発泡体は私たちの日常に広く存在し、壁の断熱材から配送物を保護する梱包材までさまざまです。これらの多くは石油由来のプラスチックから作られ、環境中で何世紀も残留し、有害なマイクロプラスチックを放出します。本稿は、植物の細胞壁を構成するのと同じ天然物質であるセルロースだけで作られた新しいタイプの発泡体について述べます。研究者たちは、植物由来のセルロースを強く、軽量で、リサイクル可能な発泡体に変え、建物の断熱に用いながら汚染と炭素排出を大幅に削減できることを示しています。

プラスチック発泡体を再考する意義

ポリスチレンやポリウレタンのような従来のプラスチック発泡体は、軽く成形が容易で熱や音を遮る性能が高いため広く使われています。しかし、それらは主に再生不可能な化石資源から生産され、製造時に大量の温室効果ガスを排出します。廃棄されると腐敗せず、ゆっくりと細かなプラスチック片に分解して海洋や土壌、野生生物を汚染します。各国政府や国際組織がプラスチック廃棄物の抑制を推進する中で、エンジニアはプラスチック発泡体と同等かそれ以上の性能を持ちつつ環境負荷の低い代替材を一刻も早く必要としています。

油ではなく植物から発泡体をつくる

この研究チームは“All‑Cellulose”発泡体、All‑Celフォームと呼ぶ“全セルロース”の発泡体を開発しました。まずバイオマス由来のセルロースを特殊な溶媒に溶かし、次にエタノール（いわばアルコール）を用いてセルロース分子が穏やかに再集合して固体の発泡体になるよう誘導します。この過程は室温で進行し、有害な発泡剤やエネルギー集約的な凍結乾燥を必要としません。エタノールが溶液に浸透するとセルロース鎖が絡み合って固定され、三次元のネットワークを形成します。表面近くと内部深部で集合の速度が異なるため、発泡体は自発的に“勾配”構造を獲得します：外層は密で小さな孔を持ち、内部はより開いて蜂の巣状の大きなセルを持ちます。

軽く、丈夫で耐熱性が高い

この勾配構造によりAll‑Celフォームは特殊な性質の組み合わせを示します。非常に軽く、固体プラスチックの約十分の一の密度でありながら、自重の約400倍の荷重を支持でき、一般的なプラスチック発泡体より高い圧縮剛性を示します。曲げや衝撃試験では亀裂に強く、通常の発泡体が粉砕されるような衝撃を吸収できます。材料は熱にも強く、約200°Cまでは剛性を保ち、約264°Cまで安定であり、その温度域では多くのプラスチック発泡体が軟化、変形、破損します。熱源と金属箱の間の断熱層として用いると、この発泡体は熱伝達を大幅に遅らせ、フォームの表面自体は高温になる一方で箱内部は室温よりわずかに高い程度にとどまります。建物のコンピュータシミュレーションでは、壁にAll‑Celフォームを使うことで広く使われているプラスチック断熱材と同等の省エネ効果が期待できることが示唆されています。

火災に対して安全で、地球にも優しい

建物用の発泡体は火災時の安全性も重要です。All‑Celフォームを植物由来の難燃剤であるフィチン酸溶液に浸すことで、一般的なプラスチック発泡体より燃えにくい処理版を作成しました。管理された燃焼試験では、この処理フォームは放出する熱と煙がはるかに少なく、着火源を除くと炎は間もなく消えることが確認されました。これは表面に保護的なチャー（炭化物）層が形成されるためです。同時に、この発泡体は成形や再成形が容易です。型に直接流し込んで成形でき、水で軟化させて再成形でき、廃材は溶解して再び新しい発泡ブロックを作ることでリサイクルできます。土壌中ではAll‑Celフォームは数か月で徐々に分解・消失し、従来の発泡体のようにほとんど変化せず残ることはありません。ライフサイクルアセスメントでは、このセルロース発泡体の生産が一部の一般的なプラスチック発泡体と比べて炭素排出を半分以上削減できる場合があると示され、その他の環境影響も低減されます。

より環境に優しい建築と製品へ

専門外の読者に向けた要点は明快です：本研究は植物由来の材料が強度、安全性、断熱性能の面で多くの石油由来発泡体と競合し、場合によっては上回りうることを示しています。All‑Celフォームは馴染みのある梱包材や建築用発泡体の軽さや有用性を保ちながら、再生可能性、リサイクル性、生分解性という利点を兼ね備えています。スケールアップが成功すれば、住宅や車両、製品のエネルギー効率を高めると同時に、地球上のプラスチック廃棄物の負担を軽減するのに寄与する可能性があります。

引用: Zeng, S., Tong, Z., Li, X. et al. A gradient-structured all-cellulose biofoam enabled by solvent-induced molecular assembly for sustainable insulation modules. Nat Commun 17, 1913 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68803-8

キーワード: セルロースフォーム, グリーン断熱, 生分解性材料, プラスチック発泡体の代替, 持続可能な建築