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世界で初めて高分子膜における水の透過メカニズムを解明海水の淡水化などの機能を持つ膜の開発に期待

近畿大学 2018年10月15日 08時05分
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近畿大学理工学部(大阪府東大阪市)機械工学科准教授 荒井規允(あらい のりよし)らの研究グループは、高分子膜における透水性のメカニズムを解明しました。高分子膜とは高分子(数千個の分子からなる分子)で構成される膜のことで、分子・原子が通る程度の穴を有し、高度な分離・バリア技術(特定の分子だけを通す・どの分子も通さない)を実現します。現在、これらの技術は燃料電池や蓄熱材など産業界で広く利用されていますが、一方で、物質の透過効率や膜の均一な穴の設計など様々な問題を抱えています。本研究で明らかにした高分子膜における透水性を制御する高分子デザイン(※)の提案は、燃料電池などの製品性能の向上につながることはもちろん、温室効果ガスからCO2を分離する技術のさらなる向上や、海水の淡水化など、地球規模の問題解決に貢献することが期待されます。  





【本件のポイント】
● 世界で初めて高分子膜における透水性のメカニズムを明らかにした。
● このメカニズムをもとに、高分子膜の透水性を制御できる分子デザインを提案した。
● 水以外の透過メカニズムにおいても普遍性が確かめられれば,海水の淡水化や温室効果ガスの選択的分離などの実現に貢献し、地球規模の問題解決につながる。

【本件の概要】
我々の身の回りにあふれているプラスチック、ゴムなどの素材は高分子からできています。高分子は、多数の原子がつながってヒモ状になっている分子のことで、それらがからみあうことで低分子(例えば水分子)とは異なる性質を示します。様々な高分子材料のなかでも高分子膜は、温室効果ガスである二酸化炭素の分離・回収や燃料電池、蓄熱材など様々な技術に利用されています。高分子膜への物質の透過性に関する研究は、これまで多くの知見が積み重ねられてきました。その中には、水の透過性に対する知見も多く得られていますが、現在においても、高分子膜に対する透水性を自在に制御できる決定的なメカニズムは解明されていません。
研究チームは分子シミュレーションを用いて、高分子膜表面に水分子が特殊な構造を作ることを発見し、それが透水性と密接に関係していることを明らかにしました。その結果、添加物の有無や添加物と高分子の親和性を検討することにより、透水性を制御できることを明らかにしました。このメカニズムを踏まえ、今後、限られた分子のみを透過させる、水分子を全く通さないなど、これまで達成できなかった技術を実現する膜の開発が期待されます。
なお、この発表についての報道解禁は平成30年(2018年)10月15日(月)AM8:00(日本時間)とさせて頂きますので、それまでは各社ご協力の程、よろしくお願いします。

<本資料の配布先>文部科学記者会、科学記者会、大阪科学・大学記者クラブ、東大阪市政記者クラブ

【掲載誌】
雑誌名:"Journal of Membrane Science"(インパクトファクター:6.578 2018)
※膜とその科学に関する国際的に影響力のある学術雑誌
論文名:Water permeation in polymeric membranes: Mechanism and synthetic strategy for water-inhibiting functional polymers (高分子膜における水の透過メカニズムの解明と透過制御を目的とした高分子の合成戦略)
著  者:荒木雄介(総合理工学研究科博士前期課程2019年修了見込み),小林祐生(総合理工学研究科博士後期課程2021年修了見込み),川口暢博士(株式会社デンソー基礎研究所),金子卓博士(株式会社デンソー基礎研究所),荒井規允

【研究の背景と詳細】
 現在、高分子膜を使用した膜分離法はCO2分離回収技術の中でも省エネルギーかつクリーンな方法であることから強く期待を寄せられています。また、地球温暖化に加え、発展途上国の急激な人口増加により、特に乾燥地域において、水資源の枯渇が重大なレベルに達しています。   
水資源の確保は、人類にとって豊かな生活を維持するために不可欠であり、このような問題についても、高分子膜を使用した海水の淡水化や水の浄化に関する新技術が研究されています。したがって、高分子による選択透過膜は、ガスや石油の分離、海水の淡水化、水の浄化など我々の豊かな生活を持続させるために必要不可欠な技術であると同時に、このメカニズムを深化させることで、例えば完全自動ガス分離膜や超高速淡水化膜など、新技術イノベーションにつながる可能性を秘めています。
そのような高機能選択透過膜を実現するためには、高分子膜内の物質移動現象の理解が重要であり、近年、バイオミミクリー(生物模倣)として、生物の機能に着想を得た設計が盛んに行われています。例えば、我々の体の細胞は生体膜で覆われており、それを通して細胞内外で水の出し入れが行われています。言い換えれば、生体膜は水に関する選択透過膜であり、膜の内外で水のやり取りを制御しています。過去の研究では、それに習い、カーボンナノチューブを膜内に配置することで、水の高速な流れが生まれることを報告しています。しかしながら、膜の透過を自在に制御できる決定的なメカニズムは未だ明らかになっておらず、限定的な可能性が示されたにすぎません。本研究では、分子シミュレーションを用いることで、膜内を透過する物質の直接観察を行い、膜の透過に支配的な要因とそのメカニズムを解明しました。さらに、明らかになったメカニズムを踏まえ、どのような高分子を合成すれば水透過に影響があるかを調べ、その合成戦略を提案しました。

【今後の展望】
本研究で明らかになった「水の透過性を制御するメカニズムの解明」は、今後、水だけを透過させる技術や、逆に水だけを透過させない技術などのさらなる向上をもたらし、それぞれの技術を応用することによって次世代ディスプレイや太陽電池などの開発に繋がるなど、工学的技術に大きく貢献します。また水以外の透過メカニズムにおいても普遍性が確かめられれば、海水の淡水化、温室効果ガスの選択的分離などに多大なる貢献が期待され、その結果、水資源枯渇問題や環境問題などの地球規模での問題解決につながる重要な鍵となり得ます。



▼本件に関する問い合わせ先
総務部広報室
住所:〒577-8502 大阪府東大阪市小若江3-4-1
TEL:06‐4307‐3007
FAX:06‐6727‐5288
メール:koho@kindai.ac.jp


【リリース発信元】 大学プレスセンター リンク

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