Press Release

セミの翅のナノ構造を「写し取る」だけで紫外線をカット

天然由来アルギン酸フィルムに新しい光学機能を付与

　セミの透明な翅の表面には、肉眼では見ることのできない微細なナノ構造が規則的に並んでいます。本研究では、このセミの翅がもつ天然のナノ構造を、海藻由来の天然高分子であるアルギン酸ナトリウムのフィルム表面に直接転写することで、紫外線（UV）を遮蔽する機能性フィルムを作製しました。一般的なUV遮蔽材料のように紫外線吸収剤や無機ナノ粒子を添加するのではなく、表面の「かたち」によって光を散乱させることが本研究の大きな特徴です。

セミの翅を天然の「ナノ金型」として利用

　プラスチックによる環境汚染やマイクロプラスチックの問題から、石油由来プラスチックに代わる再生可能・生分解性材料が求められています。その候補の一つが、褐藻などから得られる天然多糖類のアルギン酸です。 そこで私たちは、化学物質を新たに加えるのではなく、自然界に存在する優れた微細構造を利用して天然高分子に機能を与えることを考えました。 セミの翅を電子顕微鏡で観察すると、表面には約100 nmの微細な突起が規則的に並んでいます。アルギン酸ナトリウム水溶液をセミの翅の上に直接滴下して乾燥させ、形成されたフィルムを剥がすと、このナノ構造が反転してフィルム表面に転写されます。 つまり、 セミの翅 → 天然のナノ金型 → アルギン酸フィルム という非常にシンプルな方法で、ナノ構造をもつ天然高分子フィルムを作製することができます。

ナノ構造によって紫外線を散乱

　通常の平滑なアルギン酸フィルムは非常に透明で、可視光の90%以上を透過します。一方、セミの翅のナノ構造を転写したフィルムでは光の透過率が低下し、特に波長の短い紫外線領域で顕著な透過抑制効果が確認されました。 これは、ナノ構造によって生じるRayleigh（レイリー）散乱によるものです。Rayleigh散乱は波長が短い光ほど強くなるため、可視光よりも紫外線が強く散乱されます。 さらに、アルギン酸をカルシウムイオンで架橋すると表面構造が変化し、より大きな凹凸によるMie（ミー）散乱も加わります。最も高い効果を示した条件では、254 nmの紫外線に対して、平滑なアルギン酸フィルムと比較して約60%の透過光減衰効果が確認されました。 本研究では、「添加剤でUVを吸収する」のではなく、「ナノ構造でUVを散乱する」という新しい考え方によって、天然高分子に光学機能を付与できることを示しました。

熱特性や表面特性も制御

　カルシウムイオンによる架橋は、UV遮蔽性だけでなくフィルムの熱特性にも影響しました。DSC測定から、架橋によってアルギン酸分子鎖の運動が抑制され、熱安定性が向上することが確認されました。また、ナノ構造を転写することで水に対する濡れ性も変化し、さらにカルシウム架橋や表面構造の変化によって高い親水性を示すフィルムも得られました。このように、表面の微細構造を制御することで、光学特性・熱特性・濡れ性といった複数の機能を調整できる可能性があります。さらに、作製したフィルムを研究室環境で1年間保存した後にも、UV-Vis透過特性と表面ナノ構造がほぼ維持されており、長期的な安定性も確認されました。

自然界の構造を利用した持続可能な材料設計へ

　本研究の特徴は、単に環境にやさしい天然高分子を使用したことだけではありません。自然界にすでに存在している優れたナノ構造を材料表面へ直接転写し、その「構造」そのものを機能として利用するという新しい材料設計の考え方にあります。今後、アルギン酸だけでなく、セルロースをはじめとするさまざまな天然高分子への展開や、異なる天然表面構造を利用することで、UV遮蔽、濡れ性、光反射、構造色など多様な機能をもつ材料の開発が期待されます。将来的には、環境配慮型包装材料、機能性コーティング、医療・バイオマテリアルなど、持続可能な機能性フィルムへの応用を目指します。