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先端材料としてセルロースナノファイバーに高まる関心

セルロースナノファイバーとは(1)バイオマスと環境問題

磯貝明
東京大学大学院農学生命科学研究科生物材料科学専攻 教授
情報・テキスト
悪化の一途をたどる環境問題への対応は、世界的にも喫緊の課題である。その解決の糸口として、「セルロースナノファイバー」という新素材に関して、東京大学農学生命科学研究科の磯貝明教授が連続講義を行う。初回の講義では、植物由来のバイオマスという材料を用いるサイクルが、大気中の二酸化炭素量の減少を含めたさまざまな恩恵をもたらすことを説明し、バイオマス利用の今日的重要性を強調する。(全7話中第1話)
時間:09:47
収録日:2019/11/08
追加日:2019/12/01
≪全文≫

●バイオマス利用のサイクルが大気中の二酸化炭素量削減に貢献する


 それでは、本日は「夢の新素材セルロースナノファイバーとは」ということで、研究内容を紹介します。内容に入る前に、皆さん、セルロースという単語をお聞きになったことがあると思います。最近の話題としては、2019年10月から開催された東京モーターショーでセルロースナノファイバーを使った自動車やタイヤなどが紹介されました。その他にも、私たちの身の回りにセルロースナノファイバー関連の製品が少しずつ出てきています。本日は、その基礎的な知識から、応用の問題、そして今後の課題についてお話しします。

 まず「セルロースとは何か」という点を説明する前に、バイオマスについてお話しします。植物の主成分、すなわち植物資源、生物資源のことをバイオマスといいますが、このバイオマスの利用促進が現在、海洋マイクロプラスチックなどの石油系の材料に対して課題になっています。

 ご存じの通り、20世紀は化石資源の全盛期であり、私たちの文化的な生活をエネルギーと材料としてサポートしてきました。その結果、大変便利で豊かな生活を手に入れましたが、その一方で、21世紀に入って地球温暖化やゴミの蓄積、資源の枯渇、海洋マイクロプラスチックの課題などがクローズアップされました。これまで化石資源に依存していた社会から、再生産可能な植物バイオマスを用いた社会基盤に、少しずつ変えていく必要があるという動きがあります。その植物の主成分がセルロースなので、私たちはセルロースに着目しました。

 ご存じの通り、人間を含めたほとんどの生物は、生命維持のために酸素を吸って二酸化炭素を放出します。エネルギーも同様に酸素を燃やして二酸化炭素を放出します。地球温暖化に関係があるので、なんとか二酸化炭素を減らそうという動きがあります。二酸化炭素を吸収するのは、唯一植物だけです。しかも植物は、成長の段階で二酸化炭素を吸って、その炭素で自分の体を大きくしています。大きくなった植物は、成長する必要がないので二酸化炭素を吸収しなくなります。むしろ生命維持のために、呼吸を通じて二酸化炭素を放出するようになります。ですので、植物を植えてそれを育て、大きくなった木は切って材料として用いるという循環が機能すれば、大気中の二酸化炭素の削減につながります。

 ところが、人口が減少したことで木造住宅着工率は減少しました。また、電子メディアの発達によって、紙の需要も減少しました。パッケージング、つまり容器の使用量は少しずつ伸びていますが、大きな伸びには至っていません。したがって、右側にある従来のバイオマスサイクルによるカーボンニュートラル、すなわち二酸化炭素の蓄積とそれによる大気中の二酸化炭素の削減というサイクルが、うまく機能しなくなっています。ですので、新しく左側に示したような先端ナノ材料分野に、二酸化炭素の蓄積物であるセルロース材料が使えれば、2つのサイクルを機能させることで大気中の二酸化炭素を削減することができます。

 20年ほど前には、森林資源を用いることは環境破壊につながるといわれていました。実は、切ったあと、きちんと植えて育てるという循環が機能すれば、大気中の二酸化炭素を吸収して、材料として蓄積してくれるという意味で、非常に理想的な材料となります。20世紀の段階でセルロースから先端材料というものがいろいろつくれるという報告はありましたが、ほとんど利用されることはありませんでした。なぜなら、機能性のある材料をつくる際に、大変なエネルギーと時間、そして場合によっては有機溶剤を用いることが必要だったからです。ですので、今後は単に良いものをつくるのではなく、バイオマス由来の材料の変換プロセスも含めて、環境に優しいプロセスが求められるのです。


●バイオマス利用がもたらすさまざまな恩恵


 特に木質バイオマス利用の研究開発推進の要因は、先ほど指摘した通り、大気中の二酸化炭素を吸収固定化するのは唯一植物であるという事実です。ですので、植物を育て、そして利用して、また植えるという循環を進めることで、二酸化炭素の固定化とそれに伴う地球温暖化の防止に貢献できる可能性があります。

 日本発のナノ材料として注目されている、カーボンナノチューブやグラフェン、フラーレンなどがありますが、これらは全て石油由来なので、やはりバイオマス由来のセルロースには安全性や再生産可能性などから優位性があります。加えて日本は現在、国土の約66パーセントは森林に覆われている森林大国ですが、その森林が有効に利用されていません。先ほど指摘した通り、住宅着工率や紙の消費量が下がっ...
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