フィンランドのアールト大学のJaana Vapaavuoriが率いる国際研究グループは、砂やプラスチックなど、環境には優しくないが一般的に使用されている材料に代わる、植物バイオマス（リグノセルロース）の光学用途への可能性について幅広いレビューを作成しました。Advanced Materialsで報告されたように［Kaschuk et al. Adv. (2021) DOIに掲載されました。 10.1002/adma.202104473], は、再生不可能な資源の代替品として、バイオ廃棄物から太陽電池とガラスを製造する方法を示しました。
研究チームは、植物由来の光学機能材料を製造し、新たなスマート材料用途に応用するために必要なことをまとめました。Vapaavuoriは、「私たちは、スマートデバイスや太陽電池など、広く使われている技術に見られる再生不可能な資源を、リグノセルロースに置き換える方法を、できるだけ包括的にマップ化したかったのです」と述べている。
セルロースやヘミセルロースなどの糖質高分子と芳香族高分子リグニンからなるリグノセルロースは、ほぼすべての植物に含まれている。このようなバイオマスを極めて小さな部品に分解し、再び組み合わせることで、建築用のパーティクルパネルや木材とプラスチックの複合材料など、まったく新しいバイオコンポジット材料を開発することができるのである。
しかし、透明性、反射性、紫外線遮蔽性、構造色などの特性から、今回検討したような光学的な用途にも使用することができる。また、これらの特性を組み合わせることで、光に反応する窓材や化学物質や蒸気に反応する素材、さらには放射線を吸収することで表面を遮光するUVプロテクターなどの開発にもつながる可能性がある。
これは、太陽電池のガラスを置き換えて効率や光吸収を向上させるなど、機能性を付加してリグノセルロースをカスタマイズできることが一助となっている。このレビューでは、材料の主要な構成要素を単離するための戦略について、フィブリル化、フィブリル配列、高密度化、自己組織化、表面パターン化、複合化の効果とともに、光学性能のエンジニアリングにおける役割の観点から検証している。
また、産業界や農業界から毎年排出される未利用のリグノセルロースが、10億トン以上のバイオマス廃棄物に相当すると推定されることも注目されます。このレビューでは、リグノセルロースの商業利用を拡大するためには、研究および政府の規制の両方からバイオベースの廃棄物の新しい用途が必要とされ、光学用途の再生可能な代替物に対する需要を促進することが重要であると指摘しています。このようなスケールアップはコストがかかりすぎると考えられてきましたが、エネルギー消費量と生産コストの削減により、より現実的なものとなってきています。 しかし、もう一つの課題である加工時の水使用については、依然として問題が残っています。
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