概要

エレクトロスピニング法（注1）でナノファイバーを積層することにより、数百ナノメートルの細孔を有するナノファイバー製フィルターを作製できます。この数百ナノメートル細孔は、菌やPM2.5などの捕集に対して高い能力を有するということから、N95マスク（注2）などに用いられています。しかし、100ナノメートル程度であるウィルスなどの捕集には過度の積層を必要とし、大きな圧力損失が問題となっています。

東京大学 生産技術研究所の石井和之 教授、株式会社ナフィアスの渡邊圭 代表取締役、青山学院大学 理工学部の長谷川美貴 教授らの研究グループは、数百ナノメートルの細孔を有するナノファイバー製フィルターを、1ナノメートル程度の細孔を有するポルフィリン系ナノシート（注3）で覆うことで、ウィルスと同サイズの100ナノメートル微粒子を直接捕捉することに成功しました。これは、マランゴニ効果（注4）を用いた効果的な界面反応による、数センチメートル四方の分子性ナノシートの作製技術と、スタンプ法を用いたナノファイバー製フィルターと複合化技術の開発を基盤としています。大きな圧力損失なしにウィルスや小さな微粒子を除くフィルター開発が進むことが期待されます。

発表内容

COVID-19の世界的パンデミックにより、約100ナノメートル程度の大きさを有するウィルスを除去するためのフィルターの重要性が増しています。エレクトロスピニング法でナノファイバーを積層することにより作製されるナノファイバー製フィルターは、数百ナノメートルの細孔を有し、菌やPM2.5などを捕集できることから、N95マスクなどに用いられています。しかし、ウィルスなど、約100ナノメートル程度の大きさの微粒子捕集には、過度にナノファイバーを積層することが必要となり、空気が通りづらくなる大きな圧力損失が問題となります。一方、二次元に分子を集積させ、1ナノメートル程度の細孔を有する分子性ナノシートは、有望なフィルターと考えられていますが、機械的強度が十分ではありませんでした。

ポルフィリンを用いた分子性ナノシートは、カルボキシ基を有するポルフィリンH₂TCPPを含む有機溶液を塩化銅水溶液に滴下し、有機相と水溶液の界面における反応（H₂TCPPのカルボキシ基と銅イオンの反応）により合成しました。ここで、高濃度の塩化銅水溶液を用いて反応を促進するとともに、適切な有機溶媒を採用することで反応時間を確保しました。滴下された有機溶液は、急速な界面反応によるマランゴニ効果（注4）で爆発的な広がりを示し、数センチメートル四方の分子性ナノシートの作製に成功しました。

得られた分子性ナノシートを精密に圧縮した後、スタンプ法を用いてナノファイバー製フィルター（4×4cm）に転写しました（図2a） 。通常のナノファイバー製フィルター（図2b）とは対照的に、分子性ナノシートが転写されたナノファイバー製フィルターは、数百ナノメートルから数マイクロメートルの細孔を覆う均一な膜を有しており（図2c）、分子性ナノシートをナノファイバー製フィルターと複合化することに成功しました。得られた複合体を用いて、NaCl微粒子の捕集効率試験を行ったところ、顕著な圧力損失を生じず、捕集効率が向上することを見出しました。走査電子顕微鏡（SEM）画像において、多くのNaCl微粒子が捕捉されていることが観測され、100ナノメートルの微粒子を捕捉できていることが確認されました（図3）。

大面積の分子性ナノシートをナノファイバー製フィルターと複合化することで、大幅な圧力損失なしにウィルスと同サイズの小さな微粒子を捕捉することに成功しました。本研究は、分子性ナノシートを利用したフィルター開発などへの発展に寄与することが期待されます。

研究者コメント

長谷川美貴教授（理工学部 化学・生命科学科）

このたび、東京大学 生産技術研究所の石井和之教授、株式会社ナフィアスの渡邊様との共同研究が大きな成果として論文発表に至りましたことを、大変嬉しく思っております。この研究は、株式会社ナフィアスの精密合成による繊維に、水面に作った1分子の厚みの層を貼り付けるという、非常に高度で繊細な技術を必要とする新たな分子複合体の開発に位置付けられます。私は分子を意識した界面に着目した研究を続けてきており、その知見をもとに新しいフィルムの組織化のメカニズム解明に貢献することができました。未来に向けた材料として、新たな視点も養うことができ、共同研究に参画させていただいたことは光栄でした。これからの長谷川研究室の活動にも期待していてください。

発表者・研究者等情報

■東京大学
・生産技術研究所
　石井和之 教授
　倉持悠輔 特任研究員（研究当時、現：近畿大学 准教授）
　榎本恭子 技術専門職員
　中村誠司 学術専門職員（研究当時）
・大学院工学系研究科 応用化学専攻
　青木佑奈 修士課程（研究当時）

■株式会社ナフィアス
　渡邊圭 代表取締役・博士（信州大学 繊維科学研究所 特任准教授 兼任）
　大澤道 取締役・博士（信州大学 繊維科学研究所 特任准教授 兼任）

■青山学院大学
・理工学部 化学・生命科学科
　長谷川美貴 教授
・大学院理工学研究科 理工学専攻 化学コース
　田中秀幸 博士前期課程（研究当時）
　小澤慶一郎 博士前期課程（研究当時）

論文情報

研究助成

本研究は、科研費 課題番号：17H06375、課題番号：17H06374、課題番号：23H01971 の支援により実施されました。

問い合わせ先

（研究内容については発表者にお問い合わせください）

東京大学 生産技術研究所　
教授 石井 和之（いしい かずゆき）
Tel：080-4477-8767　E-mail：k-ishii@iis.u-tokyo.ac.jp

東京大学 生産技術研究所 広報室
Tel：03-5452-6738　E-mail：pro@iis.u-tokyo.ac.jp

株式会社ナフィアス
代表取締役 渡邊 圭（わたなべ けい）
Tel：090-6625-9650　E-mail：k.watanabe@nafias-jp.com

青山学院大学 政策・企画部 大学広報課
Tel：03-3409-8159
取材・撮影申し込みフォーム： https://www.aoyama.ac.jp/companies/interview.html