3Dプリントを使用してプラスチックを炭素材料に変換すると、炭素材料の大量生産に新しいプロセスがもたらされ、プラスチックのリサイクル問題の解決に役立ちます。

出典: ディープテック

炭素材料は、エネルギー貯蔵、熱管理、電子機器、バイオエンジニアリング、高性能複合材料など、多くの分野で重要な役割を果たしています。しかし実際には、炭素材料の加工は、その高融点などの理由により、長い間「困難に満ちている」ものでした。

炭素繊維、グラフェン、カーボンナノチューブなどの高性能炭素材料は、機能性は高いものの、主材料としてはまだ使用できません。ほとんどの場合、添加剤または強化材としてポリマーにブレンドすることによってのみ加工できます。これにより、炭素材料の優れた熱伝導性と電気伝導性が「無駄」になってしまいます。

科学者たちは、ポリアクリロニトリルや他のポリマー材料を介して炭素繊維を製造するなど、炭素材料の製造の問題を解決するためにさまざまな方法を試みてきました。しかし、炭素材料製造とポリマー前駆体の選択肢は依然として非常に限られています。
図丨Qiangzhe（出典：Qiangzhe）
最近、米国南ミシシッピ大学のQiang Zhe助教授の研究グループは、3Dマクロ構造炭素材料の大量生産を実現するシンプルでスケーラブルな方法を初めて開発しました。ポリマー調製の観点から、一般的なポリマーであるポリプロピレン（PP）を3Dプリントし、特殊な方法で架橋することで、PPを良好な構成と機械的特性を備えた炭素材料に変換することに成功しました。

注目すべきは、炭素材料は優れた電熱特性と機械特性を備えているため、3Dプリントによるプラスチックを炭素に変えるプロセスでは効率的な電熱変換が実現でき、従来の産業における高エネルギー消費の問題を解決し、リサイクル可能なプラスチック廃棄物の問題さえも解決すると期待されていることです。

査読者は、この研究は非常に創造的であり、実験結果のいくつかはいくぶん信じ難いものであったと指摘した。この技術は、簡単な方法と最も一般的なプラスチックを使用して炭素材料の3次元構造制御を実現できるため、複数の応用分野に大きな影響を与えるでしょう。

図丨関連論文（出典：Advanced Materials）
最近、「3Dプリント用汎用ポリプロピレンを使用したカーボンの積層造形」と題した関連論文がAdvanced Materials [1]に掲載されました。

南ミシシッピ大学の博士課程学生であるポール・スミス氏がこの論文の第一著者であり、Qiang Zhe助教授が責任著者である。

3Dマクロ構造のオンデマンドカーボン製造<br /> プラスチックは長い間、白色汚染の原因となり、マイクロプラスチックの形で海洋や生態系などに侵入してきました。そのため、プラスチックは「ゴミ」と関連付けられることが多いのです。

強浙研究グループは設立以来、持続可能なプラスチックの閉ループ研究に重点を置いてきました。彼らは、テクノロジーを利用してプラスチック廃棄物を「宝物」に変え、最も安価で最も基本的なプラスチックを複雑な高性能材料に「アップグレード」して、困難な環境問題を解決したいと考えています。

以前、研究チームはプラスチックを炭素材料に変換することを研究していた。 COVID-19パンデミックに関連した研究では、ポリマー繊維材料を炭素繊維に変える方法を研究した。研究者らは、マスクが炭素繊維に変わった後、誘発反応により、1000度の高温にさらされた後でもポリマーのマクロ構造が保持され、全体的な外観に大きな変化がないことを発見した。

図丨(a) 印刷された部品の処理スキームと各処理ステップ（架橋および炭化を含む）後の関連する化学構造の変化。 (b) 異なる温度で 2 時間スルホン化したサンプルの形状と、未処理の印刷された PP 部品との比較。単位サイズが 1.65 cm のジャイロスコープ形状も含まれています。 (c) 架橋 PP サンプルの質量吸収と (d) スルホン化時間と温度による結晶度の変化 (出典: Advanced Materials) これに触発されて、Qiangzhe は、マスクに限らず、3 次元のマクロ構成を持つ炭素材料で試してみれば、全体の形状も保持できるのではないかと考えました。

しかし、三次元のマクロ炭素材料をどのように調製するかが重要な問題となっており、これまで参考となる関連文献は存在しなかった。近年の3Dプリント技術の発展により、金属材料も3Dプリントで印刷できるようになりました。 Qiangzhe 氏はさらに、プラスチックを 3D プリントして、そのプラスチックを炭素材料に変えてみてはどうかと尋ねました。

図丨（a）複雑な炭素構造：六角形の線、鷲の翼、ピラミッド、考える人。 (b) 印刷方向（またはZ方向）に沿ったPP由来カーボンの機械的特性。 (c) 総質量8kg以上を保持できるPP由来のカーボンジャイロスコープ（1.5g）の写真（出典：Advanced Materials）
これは大胆なイノベーションです。このアイデアが最初に提案されたとき、研究チームの全員が実現は難しいと考えていました。従来の産業では、スルホン化架橋ポリオレフィンは、大規模で大規模なポリマー製品に使用することができないためです。「最初の試みで成功したことに感銘を受けました。結果は文献で報告されていたものとはまったく逆でした」とQiangzhe氏は語った。「最も重要なのは、この材料の強力な機能性に非常に興奮したことです。」

明らかに、この現象は一般的ではないため、研究チームは関連するメカニズムを調査するのに長い時間を費やし、この「異常な」現象の背後には深い科学があることを発見しました。メカニズムを研究する過程で、研究チームは興味深い誘導反応も発見しました。これらの誘導反応によりポリマーに亀裂が生じ、架橋が実現します。

「我々の実験結果が非常に再現性の高い理由は、この材料を作っただけでなく、さらに重要なことに、なぜそれが起こったのかを知っているからだ」とQiang Zhe氏は語った。

プラスチックの力、1～3年後に実用化へ

チームはプラスチックに力を与えることで、プラスチック廃棄物による汚染や環境汚染など、さまざまな分野における持続可能性の問題を解決したいと考えています。システム設計の面では、比較的消費量の少ない材料と比較的単純な方法を選択するよう努めており、この技術が将来、学界や産業界で広く利用されることを期待しています。

さらに、ポリプロピレンの前駆体は安価で入手しやすい。特に、低コストは、この技術の将来の産業発展に必要な条件です。研究チームは、3Dプリント用のプラスチックの価格は1トンあたり約10元、市販の3Dプリンターは約1,000～2,000元だと見積もっている。

強哲氏は次のように語った。「当社の炭化プロセスは、従来の炭素材料製造と『シームレスに接続』できるため、プロセスに適応するために新しい産業チェーンを構築する必要がありません。低コストで洗練された材料準備方法を使用して、他社が行ったことも、考えたこともない技術を実現できることに、当社チームは非常に興奮し、誇りに思っています。」

図丨(a) PP由来カーボンのジュール加熱性能。10Wと20Wでの加熱時間と冷却時間を示しています。 (b) 供給電力の関数としてのこれらの炭素材料のジュール加熱温度。 (c) はジュール加熱中のモデル加熱素子の写真で、30 W での時間の経過に伴う色の変化を示しています。（d）35Wの電源を使用して、ジュール加熱されたPP由来の炭素上でアルミニウムパンを15秒以内に急速に溶かすことができます。 (e) 同様に、PP由来の炭素は8Wで水を沸騰させるための加熱要素として使用できます（出典：Advanced Materials）
では、この量産可能な3D構造炭素材料製造プロセスはどのような分野に応用できるのでしょうか? Qiangzhe 氏は、この技術はチップ分野における放熱問題の解決に最も役立つと考えています。

スーパーコンピュータが普及するにつれて、膨大なエネルギーや熱の消費などの問題も発生しています。従来の放熱チップは重く、放熱効率が低いです。一方、カーボン素材は放熱効率が高く、三次元構造にすることで最高の放熱効率を実現できます。

一方、世界のほとんどの国は、2050年までにカーボンニュートラルとカーボンピークを達成するための戦略を策定しています。強哲氏は、低エネルギー工業生産が導入されれば、世界中のさまざまな国や分野の工業技術がより良いカーボンニュートラル効果を達成するのにさらに役立つだろうと述べた。

したがって、この技術のもう一つの可能な応用シナリオは、産業プロセスを通常の加熱から電気加熱に変更してエネルギー消費を大幅に削減することであり、これは「カーボンニュートラル」計画と環境の持続可能な開発と一致しています。

「さらに、この技術はバイオメディカル、水処理などの分野でも応用できる可能性がある」と強哲氏は付け加えた。

同チームは関連企業と協力してアプリケーションの変革と商用化を進めており、1～3年以内に実用化される予定とのこと。「科学技術を使って実際の社会問題を解決することは非常に意義深く、私たちに大きな動機を与えてくれます。私たちは炭素材料による炭素回収と炭素変換の関連プロセスを進めており、二酸化炭素を有用なエネルギーに変換することに尽力しています」と彼は語った。

プロセスをより洗練させる計画

強哲さんは東華大学の材料科学工学部を卒業後、米国アクロン大学の高分子工学部に入学し、修士課程と博士課程を修了しました。科学研究に深く関わるようになるにつれ、彼は科学研究の問題を解決することの喜びを徐々に発見しました。

その後、米国ノースウェスタン大学化学生物工学科で3年間の博士研究員として研究を行った。 2019年、南ミシシッピ大学高分子科学工学部に助教授として着任。

図丨強浙研究グループ（出典：強浙）強浙氏は次のように回想している。「私は人生のあらゆる段階で、優れた指導者に出会う幸運に恵まれました。彼らの言葉と行動は私に大きな刺激と恩恵を与え、彼らは私の学習と進歩のロールモデルとなりました。例えば、私の博士課程の指導教官はかつて私にこう言いました。『私がまだ理解していない分野を掘り下げる方法を学んだら、卒業できる』」。彼は、博士号取得のための勉強は特定の問題を解決することだけではなく、より重要なのは自分の可能性と才能を探求することだと考えています。そのため、彼は生徒たちに、思い切って考え、実行し、革新的であるようにとよく奨励しています。

アイデンティティの変化は「使命」にも変化をもたらした。「博士課程の指導者になってから、より優れた科学研究と教育のプラットフォームを持つようになり、問題を発見し、テクノロジーの将来の発展を判断する必要も増えたと感じました」と強哲さんは語った。

研究チームは、科学的手法を用いて廃プラスチックを「強化」し、炭素回収、水処理、電気加熱用の炭素材料に変換する一連の研究を実施してきた。

研究チームが発明した技術は重要な商業的価値を持ち、広範囲にわたる影響を及ぼす可能性がある。同氏は、自身の業績に加え、学生たちが懸命な努力により米国エネルギー省や米国科学協会などの団体から栄誉や賞を受けるのを見るのは、研究チームにとってもう一つの「輝かしい瞬間」だと語った。

強哲氏にとって、将来最も克服したい科学的課題は、伝統的なプロセスを改善するという条件下で材料特性のブレークスルーを通じて、プラスチック分野におけるカーボンニュートラル開発を加速することです。しかし、企業が環境面での持続可能な発展を達成する際には、経済面での持続可能な発展も無視できない重要な問題であると指摘した。

したがって、この研究グループの研究方向は、最低のコストで最高の炭素回収最適化を達成することです。「経済や利益について語らずに環境について語ることはできません。企業にとっては、環境と経済のバランスを取る必要があり、それが私たちのチームが現在注力している研究の方向性と目標でもあります」と彼は語った。

この研究の今後の計画について、強哲氏は炭素材料の製造に限定されず、プラスチックの概念をあらゆる材料の製造に適用したいと考えている。したがって、次のステップは、プロセスをより洗練させることです。

参考文献:

1. ポール・スミス他「先端材料」（2023年）https://doi.org/10.1002/adma.202208029

3Dプリントを使用してプラスチックを炭素材料に変換すると、炭素材料の大量生産に新しいプロセスがもたらされ、プラスチックのリサイクル問題の解決に役立ちます。

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