水素結合設計で金属並みの熱伝導を実現した柔軟なゴム

より冷たい機器に柔らかい材料が必要な理由

スマートウォッチやフィットネスバンド、ソフトロボットに囲まれて暮らすと、一つの厄介な問題が繰り返し現れます。狭い空間に詰め込まれた電子機器はすぐに熱を持ちますが、肌に心地よい材料は毛布のように熱を閉じ込めがちです。本研究は、金属と同等に近い速度で熱を移動させつつ、ゴムのように伸縮できる新しいゴム状材料を提示し、より安全で信頼性の高い装着型電子機器への道を示します。

しなやかさと熱伝導の両立

大半の柔軟なプラスチックやゴムは曲げに優れる一方、熱を運ぶのは苦手で、その熱伝導率は通常金属より遥かに低いです。対照的に金属は熱を非常によく伝えますが、重く硬く体にとっては心地よくありません。長年、技術者たちは柔らかい高分子に硬い熱伝導性粒子を混ぜることで両者の長所を得ようとしてきましたが、十分な粒子を詰め込むと材料が硬く脆くなりがちです。本論文の著者らは、このトレードオフを打破し、材料が柔らかさと効率的な熱経路の両方を持てるようにすることに焦点を当てています。

ゴムの中に隠れた液体金属

研究チームは、一般的な柔軟性ポリウレタンと、ガリウムとインジウムから成る液体金属合金の微小滴を用いて新素材を設計しました。この金属は室温で液体であるため、滴はゴム内部で伸びたり形を変えたりでき、固体粒子のように割れることがありません。問題は、こうした滴が自然には孤立した島のように振る舞い、連続した熱のハイウェイを形成するほどにはつながらない点です。これを解決するために、チームは滴の表面を修飾して周囲のポリマーと強く相互作用できるようにし、滴同士が互いに近づき、材料が引き伸ばされるとほぼ連続した経路を作るよう促しました。

見えない分子フックで熱を誘導する

設計の核心は水素結合の精密な制御にあります。水素結合は分子間の比較的弱い引力で、可逆的なフック＆ループのように働きます。科学者たちはポリウレタンの化学組成を調整して水素結合を形成できる結合部位を適切な数だけ含ませました。また、液体金属滴の酸化皮膜上に窒素を含む小分子をグラフトしました。混合すると、ゴム鎖と滴の表面はゴム内部およびゴム–金属境界で密な水素結合ネットワークを形成します。赤外分光やX線回折などの手法で、これらの結合が配列を整えポリマー鎖を組織化し、熱が流れるより秩序だった経路を生み出すと同時に滴とマトリックス間の結びつきを強めることが示されました。

伸ばすと滴が熱のハイウェイになる

この材料（LiMPuCと呼ばれる）を引き伸ばすと、顕微鏡レベルで驚くべき変化が起きます。液体金属滴は引張方向に沿って伸び、整列し、水素結合はそれらを周囲の鎖に密接に保ちます。この再配列により散在していた滴が真珠のような鎖状に変わり、ほとんど接触する状態で引張方向に沿った効率的な熱経路を形成します。専用の試験セットアップでの測定によれば、体積比46％という中程度の金属含有率で、400％のひずみ時に熱伝導率が約23.4 W m-1 K-1まで上昇し、柔らかいゴム状の帯でありながらいくつかの金属に匹敵する値を示しました。重要なのは、この材料が元の長さの7倍以上に伸びる能力を持ち、破断前にかなりのエネルギーを吸収できる高い靭性を備えている点です。

将来のデバイスへの意味

一般の利用者にとっての主要なポイントは、体の動きに合わせて曲げたり捻ったり伸ばしたりしても、冷たく快適な状態を保つ電子機器を身に着けられる日が近いかもしれないということです。水素結合を調節可能な分子フックとして利用することで、研究者らは引張時に内部の液体金属ネットワークを自動的に再編成し、必要な時に必要な場所で熱除去を強化するゴムを作り出しました。この戦略は柔軟で高性能な熱材料を構築するための一般的なレシピを提供し、次世代の装着型機器や柔軟回路における皮膚のような熱拡散体や柔らかいセンサーとしての応用が期待されます。

引用: Liu, X., Wen, J., Xu, R. et al. Flexible rubber with metal-like thermal conductivity achieved via hydrogen bonding engineering. Nat Commun 17, 4480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71056-0

キーワード: 液体金属ゴム, 熱伝導率, 装着型電子機器, 柔軟材料, 熱管理