東北大学 材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の阿尻雅文教授が中心となって開発を進めてきた超臨界という特殊な状態で製造するオーダーメードのナノ粒子が様々な産業分野から注目されている。nano tech 2023では、阿尻教授らが2018年に設立した東北大発ベンチャーのスーパーナノデザイン（SND：仙台市、平浩昭社長）が、有機物、金属、セラミックスの有利な特性を互いに融合した均質で凝集しない高機能のナノ粒子と応用分野を紹介する。来場者が抱える課題を聞き、新たなナノ粒子を開発して貢献したいと考えている。
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物質は温度と圧力の条件で固体、液体、気体（蒸気）という状態になる。H2Oを例に挙げると、固体が氷、液体がいわゆる水、気体が水蒸気に相当する。しかしある一定温度、一定圧力以上では液体と気体の密度が同じになり、全体として両者の区別がつかなくなる。この相を超臨界流体（図１）と呼ぶ。例えば水の場合、超臨界流体になる臨界温度は374℃、臨界圧力は22.1MPa（約218気圧）。

図1: 物質の相図
一般に知られる固体、液体、気体（蒸気）以外に超臨界液体の相がある

凝集しない均一なナノ粒子を合成

スーパーナノデザインは、超臨界液体の中に２種類以上の原料を投入することでナノメートルサイズの様々な組成の粒子を合成し、表面を有機物で化学修飾するSND法と名付けた方法を開発した（図２）。

 

図2:従来法とSND法で合成したナノ粒子
従来は粒子同士が凝集してサイズが大きくなった（左写真）。
表面を化学修飾したナノ粒子（中央のイメージ図）は凝集せず均一に分散する（右写真）

マグネシウムを含む含水ケイ酸塩のタルク（滑石）は、紙や化粧品、医薬品の増量剤などに広く用いられている。ところが天然の鉱物から取り出して粉砕したタルクは粒径が５マイクロメートル以上と大きく不均一で、健康に影響を及ぼす金属などの不純物が多く含まれる。阿尻教授は海外企業からこれらの問題を解決したいという相談を受け、SND法によって不純物を全く含まないタルクを開発した。粒径はニーズによって数ナノメートルサイズで調整ができるという。
このほかパワーデバイスの放熱材料として用いる窒化ホウ素（BN）や窒化アルミニウム（AlN）の特性を高めることにも成功。セラミックスであるBNの表面に有機物のポリマーを化学修飾することで、熱伝導率を従来の約10倍に高めることができた。SND法で合成したタルクやBNのナノ粒子の事業化を目指している。

磁性や光学特性、触媒、医療向け向け機能材料の特性向上にも対応

スーパーナノデザインは、医療や環境・エネルギーなど、あらゆる産業分野のニーズに応えるナノ粒子を開発して提供する。例えば光学特性を最大限に利用できるナノ粒子を開発する。可視光の波長は約400～800ナノメートル。この波長より大きな寸法の光学材料は光が散乱して透明ではなくなる。SND法を用いれば数ナノ～数十ナノメートルの粒子を合成できる。微細なナノ粒子は可視光を散乱せず、短波長の紫外線を遮断、屈折率を制御、無反射の素材を作ることができる。自動車や住宅のみならず、化粧品などの産業分野に貢献する。また磁性材料のナノ粒子を合成すれば、透過光の精密な変調、磁化と消磁を高速で切り替えることができるようになる。
化学反応に用いる触媒の特性向上にも貢献する。一般的な製法で作る触媒材料は表面に反応促進効果が不活性な面が露出しやすい。有機物で化学修飾させた触媒のナノ粒子を合成すると、有機物が結合する活性が高い面が表にでる。触媒として利用する際に有機物を除去すれば、これまでより化学反応を促進する高活性な触媒ができる。
SND法で合成するイオン電導性酸化物ナノ粒子を用いること、従来は900℃と高い温度でしか稼働しなかった固体酸化物形燃料電池（SOFC）が、150～200℃ほどの低温で利用でき大幅な省エネにつながるとみている。
熱で分解しやすい糖鎖などの生体分子を直接ナノ粒子に修飾することは難しい。その代わり、生体分子が結合しやすい成分をSND法でセラミックスや金属の表面に修飾することはできる。これによって、生態適合性の高い人工骨、患部に直接薬を届ける薬剤送達システム（DDS）に用いるナノ粒子も実現すると期待している。
これ以外にも廃棄物のリサイクルなど、スーパーナノデザインはあらゆる産業分野の顧客に対して、オーダーメードのナノ粒子の受注生産、ライセンス供与、生産システム導入へのコンサルテーションなどの要求に応える。

（註）図はすべてスーパーナノデザインから提供されたものである。

小間番号 : 1U-28

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