じるHome【研究成果】白と黒の粒子を用いて鮮やかな色彩と剥がれにくさを併せ持つコーティングを実現!~生物をヒントにした、重金属等を用いない環境にやさしい新たな色材として期待~【研究成果】白と黒の粒子を用いて鮮やかな色彩と剥がれにくさを併せ持つコーティングを実現!~生物をヒントにした、重金属等を用いない環境にやさしい新たな色材として期待~本研究成果のポイントガラスの主成分である二酸化ケイ素(※1)の白い粒子と黒さびの主成分の四酸化三鉄(※2)の黒い粒子を混ぜて製膜することで、「構造色」と呼ばれる発色現象で鮮やかな色彩を有するコーティングを実現しました。製膜法として、自動車の塗装にも使われている電着法(※3)を採用し工夫することで、頑丈ではがれにくいコーティングとすることに成功しました。敬和准教授らのグループとの共同研究により、構造色とよばれる従来の顔料や染料とは異なるメカニズムで発色する色材を、白い二酸化ケイ素と黒い酸化鉄の粒子を用い、電着法とよばれる簡便な手法で頑丈なコーティング膜として作製する技術を開発しました。本研究で開発した色材は安全・安価な物質で得られるため、現在問題視されている重金属を含有する顔料や発がん性の懸念のある染料に代わる色材になることが期待されます。Interfaces」オンライン版に掲載されました。JP20H02439)などの支援を受けて実施されました。当研究グループでは、電気泳動堆積法(電着法)(※3)とよばれるコーティング膜作製法に着目し、この方法を活用して微粒子集積型の構造発色性材料を、塗膜として迅速に作製する技術の開発を行ってきました。用いる材料は、主にガラスの主成分である二酸化ケイ素(※1)の球状粒子です。二酸化ケイ素の球状粒子の分散させた溶液を用いて電着法によるコーティングを行うと、微粒子集積体からなる塗膜が得られます。その膜はほとんど白色となります。当グループでは、青い鳥の羽が構造色によるものであり、その鮮やかな青色には、単に微細構造が存在するだけでなく、メラニン(※4)とよばれる黒色の色素が重要な役割を果たしていることをヒントにし、黒い炭素や四酸化三鉄(※2)の粒子を二酸化ケイ素粒子に混ぜた分散液を用いることで、灰色ではなく、粒子のサイズに基づいて、青、緑、赤といった色相を有するコーティング膜が得られることをこれまでに報告しています(文献1)。電着法の特徴を活かし、複雑な形状の表面にも迅速に均一な厚さの塗膜を作製可能であることも、ステンレス製フォークへのコーティングで実証しています(図1)。粒子分散液に添加物を加えたり、電着を行う条件を調整したりすることで、粒子の並び方を規則的な状態のものと、乱れた状態のものに作り分けることにも成功しています(図2)。前者では、オパールのように見る角度で色が変化するタイプの構造色になり、後者では見る角度で色が変わらないマットな印象の構造色となり、これらを簡便に作り分ける技術も実現してきました(文献2)。これらにおいてはその膜は非常に脆く、摩擦によって簡単に剥がれ落ちてしまい、実用には全く不向きなものでした。(文献2)そこで、今回、電着法に工夫を施し、粒子を泳動させて基材表面に堆積させるだけでなく、同時に接着剤の役割を果たす物質を電気化学的に析出させ、これで粒子同士や粒子と基材表面を接着させる方法を考案しました。具体的には、硝酸マグネシウム(Mg(NO3)2)を粒子分散液に添加し、基材表面で水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)として析出させます。溶液中でMg(NO3)2はMg(OH)2はMg2+イオンとNO3–イオンになります。Mg2+イオンは二酸化ケイ素粒子表面に吸着して、粒子に正電荷を与えます。これによって粒子は電場を印加すると負極に泳動することになります。負極上では、水の電気分解でOH–イオンが発生するのに加え、NO3–イオンの分解によってもOH–イオンが発生し、電場印加によって負極表面近傍には、多量のOH–イオンが存在するようになります。ここにMg2+イオンが表面に吸着した二酸化ケイ素粒子が泳動してくると、粒子が負極上に堆積すると同時にMg2+イオンとOH–イオンが反応し、Mg(OH)2として析出します(図3)。これが粒子を接着する役割を果たします。今回の方法で作製したコーティング膜は、これまでの方法で作製したものと比べ、耐摩擦特性が飛躍的に向上しました。紙やすりを用いた試験では、従来のものはわずか1回の摩擦試験でほとんど塗膜は剥離してしまいましたが、今回開発した方法で作製した塗膜は5回摩擦試験を繰り返しても十分に膜が残存し、その色を保っていました。フォークにコーティングしたものを消しゴムに突き刺す試験でも、従来のものは膜が剥離し金属表面が露出してしまうのに対し、今回のものは剥離せず色を保っていました(図4)。二酸化ケイ素シリカともよばれ、組成式SiO2で表されるケイ素の酸化物で、砂や珪藻土の主成分として地球上に二番目に多く存在する化合物です。ガラスの主成分であり、その他には化粧品や食品添加物などとしても広く用いられています。Fe3O4で表される鉄の酸化物の一種で、自然界では鉱物の磁鉄鉱として存在します。いわゆる「黒さび」もこの四酸化三鉄です。電気泳動堆積法(電着法)溶媒中に粒子を分散させると、帯電することを利用し、その分散液に電極を浸漬し、電場を印加することで粒子を電極に向かって泳動させ、粒子集積膜を電極基板上に直接堆積させる方法。迅速かつ均一に塗膜をコーティングできるため、この方法は自動車塗装などに利用されています。メラニンヒトを含む動物や植物、また一部の菌類などにおいて形成される色素です。ヒトの毛髪やほくろも黒色メラニンによるものです。ステラ―カケスなど青い鳥の羽の構造色においては、光の散乱を抑える黒いメラニンの存在が重要であることが明らかにされています。