BNFゲル

BNFエアロゲル

簡易なプロセスで超低密度で透明な究極材料を作製したい、ついでにBack to the Future Part IIネタを披露したいという趣味目標の下、新しい構造体を作りました。[1]

近年、超低密度エアロゲル（< 5 mg cm⁻³）の研究が盛んに行われています。ベーマイト（AlOOH）ナノファイバーでできたこのエアロゲルは、超低密度（最小1.2 mg cm⁻³、「透明な」固体としておそらく最低記録）と高い可視光透過率（10 mm厚で90 %以上）を両立させた材料です。屈折率が空気に近いため、乗せたものが浮いているかのように見えます（ほとんど写らないためかなり強い光を当てて撮影しています。）

作製法はシンプルです。市販のBNF分散液を塩基でゲル化させ、溶媒交換をした後に超臨界乾燥を行うだけのプロセスです。ナノファイバーでできた表面は凹凸をもつため、簡単な処理（フルオロアルキルシランをCVD）で水も油もよくはじくようになります。

塩基の代わりにリン酸をゲル化反応に用いた場合、後処理なしで耐湿性を付与することができます。[2] これにより超臨界乾燥後の寸法安定性が改善します。また、ゲル化中にナノファイバー同士のバンドルが起こりにくくなるため、塩基を用いた場合より可視光透過率が高くなることがわかりました。

BNFエアロゲルの加工・検査

作製後のBNFエアロゲルを加工する技術開発にも取り組んでいます。[2] 単純な形状ならばCO2レーザーで簡単に切断可能であり、複雑形状にチャレンジしていく予定です。レーザーシートでエアロゲル内部の断層像をとることで、作製・加工後のエアロゲルの立体形状・内部欠陥の画像検査も行なっています。

BNFクライオゲル

真空凍結乾燥法（フリーズドライ）を用いてBNFエアロゲルのような透明低嵩密度多孔体（ビーズ）を作ることができます。[3] 分散媒をtert-ブチルアルコール（TBA）にしたBNFゾルを液体窒素に滴下して瞬間凍結することで、分散媒の結晶成長にともなう構造破壊を防ぎ、TBA昇華後には超低嵩密度（最小1.1 mg cm⁻³）かつ透明なビーズが残ります。嵩密度があまりに低いため、わずかな風でも空気中に漂う（そしてほとんど目に見えない）というユニークな特徴をもった材料です。

凍結真空乾燥中は、ゲル内部のTBAが昇華して透明に変化していく様子を直接観察できます。下の動画はチャンバー越しに微速度撮影したものです。

希薄な骨格からなる湿潤ゲルをうまく凍結することで、より大きな透明モノリスの作製も可能になりました。[4]

蛍光分子を加えた発光体などへの応用が考えられます。（デモンストレーションとして）体積型3Dディスプレイの発光体として用いることができます。

エアロゲルと比べた際の光学特性や歩留まりの低下など課題はありますが、凍結乾燥でも透明エアロゲル状の材料が作製可能である点はナノファイバーゲルの特徴といえます。

論文

1. Hayase, G.; Nonomura, K.; Hasegawa, G.; Kanamori, K.; Nakanishi, K. Ultralow-Density, Transparent, Superamphiphobic Boehmite Nanofiber Aerogels and Their Alumina Derivatives, Chem. Mater. 2015, 27, 3–5.
   doi:10.1021/cm503993n (Open Access)
   BNFエアロゲルの基本物性
2. Hayase, G.; Yamazaki, K.; Kodaira, T. Fabrication of Boehmite Nanofiber Aerogels by a Phosphate Gelation Process for Optical Applications. J. Sol-Gel Sci. Technol., 2022, 104, 558–565.　doi:10.1007/s10971-022-05867-0 (Springer Nature SharedIt)
   改良版BNFエアロゲル（リン酸ゲル化プロセス）
3. Hayase, G. Facile fabrication of ultralow-density transparent boehmite nanofiber cryogel beads and their application to a nanoglue, ChemNanoMat 2017, 3, 168–171.
   doi:10.1002/cnma.201600360 (ポストプリント)
   BNFクライオゲルビーズの簡易作製
4. Hayase, G.; Funatomi. T; Kumagai, K. Ultralow-Bulk-Density Transparent Boehmite Nanofiber Cryogel Monoliths and Their Optical Properties for a Volumetric Three-Dimensional Display, ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 26–30.
   doi:10.1021/acsanm.7b00097 (ACS Articles on Request)
   BNFクライオゲルモノリスとフェムト秒レーザーを用いた内部発光

プレスリリース

• 超低かさ密度かつ透明なモノリス型多孔体を凍結乾燥で作製－手軽に作製できるエアロゲル状の光学材料としての発展に期待－ | プレスリリース | 東北大学 -TOHOKU UNIVERSITY-
• 凍結乾燥を用いて超低密度かつ透明な多孔質ビーズの作製に成功-手軽に作製できるエアロゲル状構造体としての発展に期待- | プレスリリース | 東北大学 -TOHOKU UNIVERSITY-

メディア掲載等

新聞

• 日本経済新聞 2014年12月23日 14面 屈折率、空気と同等の素材を開発 京大

インターネット

• 限りなく透明に近いゲル：固体と気体の間に生まれた「物理法則の奇術師」 « WIRED.jp

雑誌

• 化学2015年03月号 超低密度の透明多孔質ゲルができた!──簡単なプロセスでできる究極素材

令和元年度－令和4年度 高等学校教科書

• 化学（東京書籍）
• 新編化学（東京書籍）