物質・材料研究機構（NIMS）は9月10日、溶液を塗って乾かすだけで、性質の異なる素材同士を強く接合できる新技術を開発したと発表した。本来は接着しにくいガラスと柔らかな高分子の組み合わせで、7メガパスカルを超える接合強度を確認したという。1平方センチメートルあたり約70キロの力に耐える計算になる。成果は同じ10日、科学誌「Small」のオンライン版に掲載された。

硬い素材と柔らかい素材は、そもそもくっつきにくい

NIMSによると、自動車の軽量化やフレキシブル電子デバイス、ソフトロボットの製造では、金属やガラス、セラミックスといった硬い素材と、ゴムやプラスチックなどの柔らかい高分子を組み合わせる「マルチマテリアル化」の重要性が急速に高まっている。

問題は、性質の異なる素材同士がそもそも接着しにくいことだ。従来は素材の組み合わせごとに、双方になじむ接着剤を個別に設計・開発する必要があった。もう一つの手として、機械加工や化学薬品で基材の表面を削って凹凸をつくり、接合強度を高める方法も知られている。ただしこちらは製造工程が複雑になるうえ、加工時に残渣が出るため、エネルギー消費や環境負荷の面で課題を抱えていた。

「化学で付ける」と「引っかける」の役割分担

今回の技術は、接着剤そのものの相性を高めるのではなく、接着層に「構造」を持たせるという発想だ。

「粘弾性相分離」と呼ばれる物理現象を利用し、溶液を塗って乾かすと、ナノメートルからマイクロメートルの大きさの孔（あな）が並んだ網目状の層ができる。研究チームはこれを「多孔質アンカー層」（PPA＝Printable Porous Anchor）と名付けた。

PPAは、片側のガラスとは化学的な親和性によって結合し、もう片側の高分子とは、細かな孔に入り込ませて物理的にかみ合わせる。いかりが地面に食い込むように引っかける、いわゆるアンカー効果だ。この「役割分担設計」により、素材の相性が悪くても強固に接合できる。素材の間に構造を持った層を挟むことで、垂直方向に引っ張ったときの強度は約2倍に向上したとしている。

導電性と耐熱性の付与へ

研究は、NIMS高分子・バイオ材料研究センターの荒井俊人独立研究者が行った。論文の題目は「Topological Structuring of Adhesive Layers to Enhance Resistance Against Interfacial Fracture」で、Small誌に9月10日付で掲載されている。

NIMSは、PPAを用いた接合方法について、両側の素材になじむ接着剤を開発するという従来の各論的なアプローチから脱却し、多彩な素材の組み合わせに対応できるプラットフォームとなる可能性を秘めている、と位置づけている。想定する応用先は、次世代モビリティ、ウェアラブルデバイス、ソフトロボティクスの分野だ。

現在は汎用性をさらに広げるため、接合部の放熱性や電気的な接続を確保する「導電性の付与」と、過酷な環境に耐えられる「高耐熱性素材」を使った多孔質アンカー層の開発を進めている。