プラスチックに代わる環境に優しい代替品 → 通気性と防水性に優れた紙の「鎧」！

柔らかくて防水性のある「鎧」を紙の上に載せて、プラスチックのように防水性がありながら、紙のように分解可能になったらどうなるか想像してみてください。それはどれほど素晴らしいことでしょうか?

今、この夢は現実になりました。日本の科学者たちは、普通の紙をプラスチックの環境に優しい代替品に変えることができる革新的な技術を開発した。さらに驚くべきことは、この紙飛行機がマッハ7の風洞試験に耐えられることです。

[注記: 元の画像はこの論文から引用したものです。上の写真（a）は、風洞内に置かれたコーティングされた紙飛行機を示しています。下の写真はマッハ7の風速によって発生した衝撃波を示しています。 】

この技術は、紙の繊維の上に特殊な「通気性のあるレインコート」を載せるようなものです。科学者たちはシランと呼ばれる化合物を使用して、紙繊維の表面にわずか数マイクロメートルの厚さの多孔質コーティングを形成しました。このコーティングは、無数の小さな「ハニカム」で構成されているようなもので、紙に防水性と柔軟性を与えます。紙または紙製品をアルコキシシランを主成分とする低粘度液体に浸漬し、常温で乾燥することにより、セルロース繊維上に数ミクロンの厚さの多孔質シリカ樹脂層を均一に形成します。多孔質シリカ樹脂層により、紙本来の風合いや柔軟性を保ちながら、優れた耐久性と防水性を実現します。得られた有機無機複合材料は、多くのプラスチック製品を置き換えることができ、汚染を引き起こすことなく自然環境で簡単に分解できます。

【この図は、紙を構成するセルロース繊維にスーパーコーティングを施してシリカ膜を形成した紙の模式図です。まず、コーティング溶液中のメチルトリメトキシテトラヒドロシラン分子（図の左上）が紙や空気中に存在する水分子と加水分解反応を起こし、Si-OHテトラヒドロシラノール基を形成します。次に、2 つのメチルトリメトキシテトラヒドロシラン分子のテトラヒドロシラノール基が脱水反応によって結合し、シロキサン結合を形成します。最後に、メチルトリメトキシテトラヒドロシラン分子のテトラヒドロシラノール基がセルロース繊維上のヒドロキシル基と脱水反応を起こし、Si-O-C結合を介して繊維の表面に固定されます（図の右下）。得られたシロキサンネットワークには多数の空隙が存在するため、紙は非常に柔らかく、空隙に残ったメチル基（R）が撥水性を付与します。 】

このプロセスは、紙の繊維の上に精巧なウェブを織り込むような、非常に巧妙に設計されています。まず、科学者たちは、編み物の最初のステッチのように、反応を開始するために特別な「スターター」（テトライソプロピルチタン酸塩）を使用しました。すると、シラン分子が自動的に「手をつなぎ」、紙繊維の表面に保護ネットを形成します。このメッシュは、通気性のある多孔質構造を維持しながら、紙の繊維をしっかりと「保持」します。このシリカコート紙は、添加物に有機フッ素化合物、ホウ素化合物、アルキルトリアルコキシシランが含まれていないため、人体に無害です。処理された紙は驚くべき特性を示します:

Ⅰ.変形することなく72時間水に浸すことができます

Ⅱ.本来の柔軟性を維持し、自由に折りたたむことができます

III.強度が大幅に向上し、高速気流の衝撃にも耐えられる紙飛行機も作れる

IV.最も重要なのは、自然環境で安全に分解できることです。

【注：図（b）はコーティング溶液が固化した後に形成されたブロックを示しています。図(c)はコート紙の上に滴る水滴を示しています。図(e)はスーパーコーティングを施した紙製品を示しています。図（d）は、コーティングされた紙ストロー（左）とコーティングされていない紙ストロー（右）を3日間水に浸した後の写真を示しています。 】

テクノロジーはそれ以上のものです。私たちの世界では、毎年何百万トンものプラスチック廃棄物が海や土壌に流れ込み、分解が難しいマイクロプラスチックを形成し、海洋や陸上の生態系を脅かしています。この改良された紙は、日常生活における大量の使い捨てプラスチック製品を置き換えることができるだけでなく、使用後は環境に永続的な負担を残さずに安全に自然に戻ることができます。

それは循環のようなものです。紙を作るために木や植物から繊維が採取され、紙の特性は環境に優しい方法で強化され、使用後は自然に戻ります。この技術は科学革新の力を示すものであり、自然との共存を追求する人々の知恵を反映しています。

この革新は将来に広範囲にわたる影響を及ぼします。環境問題の解決は、制限や禁止事項だけに頼るものではないことがわかります。技術革新を通じて、環境に優しく、人々のニーズを満たすソリューションを見つけることができます。これは持続可能な開発の本質でもあります。つまり、次世代のニーズを満たす能力に影響を与えることなく、現在のニーズを満たすことです。

この研究が示すように、人間の創造性には限界がありません。継続的なイノベーションを通じて、人々は自然と調和して生き、未来に青い惑星を残す方法を見つけることができるのです。

画像引用と論文出典:

現代の錬金術：紙から「プラスチック」を作る。岩宮陽子、河合正義、西尾浜根大輔、柴山光弘、広井善治。工業・工学化学研究2021 60 (1), 355-360.出典: 10.1021/acs.iecr.0c05173