蛭石ベースの軽量ジオポリマーモルタルの電磁シールド性能と機械的特性

目に見えない波を寄せつけない

電線や無線ネットワーク、日常の機器から放たれる目に見えない電磁波の雲が私たちを取り囲んでいます。これらの信号は現代生活を支える一方で、敏感な電子機器に干渉したり、特に人口密集地で健康への懸念を引き起こしたりする可能性があります。本研究は、不要な放射を遮蔽しつつ建設のカーボンフットプリントを削減できる、軽量でセメントを使わない新しい建材を検討します。

新しいタイプの保護壁

研究者たちは伝統的なポルトランドセメントに代わりうる「ジオポリマー」に注目します。ジオポリマーはエネルギー集約型のキルンで焼成する代わりに、フライアッシュなどの工業副産物をアルカリ溶液で活性化して形成される、石のように強固なネットワークです。ここに加えられるのが蛭石（ヴァーミキュライト）で、加熱すると膨張して軽く多孔な材料になります。蛭石は耐火プラスターや断熱材に既に使われていますが、本研究では建物を軽量化するとともに電磁波の遮蔽効果を持たせる材料として評価されています。

試料の作製と試験

研究チームはフライアッシュ、ケイ酸ナトリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、そして体積比で通常の砂を0%、25%、50%、100%のいずれかで置換するさまざまな量の蛭石を用いて、計16種類の混合物を作製しました。アルカリ活性剤の強さも調整し、水酸化ナトリウム溶液の濃度は10～13モル毎リットルで試験しています。各配合から曲げ試験および圧縮試験用の小さなブロックと、電磁波測定用の大きな平板を成形しました。平板はホーンアンテナ2台の間に配置し、高精度のネットワークアナライザに接続して、3〜40ギガヘルツの広い周波数帯域で入射するマイクロ波がどの程度反射・透過・吸収されるかを追跡しました。これはレーダー、衛星リンク、そして新興の5Gや6Gシステムで用いられる周波数をカバーします。

波と荷重に対する材料の挙動

蛭石ベースのジオポリマーの全バリエーションは優れた「インピーダンス整合」を示し、表面で単に波を反射するのではありませんでした。むしろ波を内部に取り込み、材料内で徐々に弱めていきます。高いマイクロ波周波数域では、いくつかの混合物が強い遮蔽効果を示し、信号強度を50デシベル以上低減しました。これは出力を10万分の1以上に減らすことに相当します。同時に、蛭石を添加することでブロックの密度は最大17%軽くなりました。機械的試験ではトレードオフが明らかになり、圧縮強度が最も高いのは蛭石を含まない混合物でしたが、25%の蛭石を含む中程度の配合は曲げ強度で最良を示しました。これは蛭石の板状粒子がひび割れを橋渡しして補強しつつ、過度に多孔にさせないためと考えられます。

最適点の探索

これらの相反する要求を両立させるため、著者らはタグチ法として知られる統計的設計手法を用いました。これにより、蛭石含有量とアルカリ強度の組み合わせで機械的性能と遮蔽性能を同時に最適化する条件を特定できました。解析の結果、強度に最も影響を与えるのは蛭石の割合であり、高周波遮蔽には水酸化ナトリウム溶液の濃度がより重要であることが示されました。最もバランスの良い配合は蛭石約25%と中〜高めの活性化剤強度（11–13モル）で、構造性能と先進通信で用いられるミリ波帯での強い減衰を同時に実現しました。

将来の都市にとっての意義

顕微鏡観察と化学分析により、これらの混合物は蛭石由来の制御された孔を含む、緻密で相互連結した鉱物ネットワークを形成することが確認されました。この構造は機械的荷重を担うと同時に、入射する電磁波を散乱させ、熱としてエネルギーを損失させます。簡単に言えば、本研究は従来のコンクリートより軽く、クリンカーセメントではなく工業副産物から作られ、室内空間の「電磁の傘」として機能しうる壁パネルや非耐力要素を設計できる可能性を示しています。耐久性や大規模生産に関するさらなる研究が進めば、こうした材料は電磁汚染の管理とより環境に優しい建設への移行を同時に支援する可能性があります。

引用: Çelik, A., Tunç, U., Durmuş, A. et al. Electromagnetic shielding performance and mechanical properties of vermiculite-based lightweight geopolymer mortars. Sci Rep 16, 7865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38722-1

キーワード: 電磁シールド, ジオポリマーコンクリート, 蛭石, 持続可能な建築材料, 5Gおよび6Gインフラ