Using Cellulose Nanofibers as the Sole Binder for Cement-Free Construction Materials
本研究は、セメントを使用しない砂複合体の唯一の結合剤としてセルロースナノファイバーを用いることの実現可能性を実証しており、それらは、湿潤と乾燥の過程において完全に可逆的である版築レベルの圧縮強度を示し、軽量で低炭素かつリサイクル可能な非構造用建設資材への有望な経路を提示している。
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コンクリートは地球上で最も広く使用されている建築資材であり、私たちの都市、道路、橋の骨組みを形成しています。しかし、それを作ることは地球にとって重い代償を伴います。コンクリートを結合させるための粘り気のあるペースト、いわゆるセメントを作るプロセスは、膨大な量の二酸化炭素を放出します。これは、原材料を極端な高温まで加熱する必要があり、かつ化学反応そのものがガスを放出するためです。世界が建設を進めるにつれ、この材料への需要は急激に高まることが予想されており、建設ニーズとよりクリーンな大気の目標との間の溝を広げています。何十年もの間、科学者たちは、採掘して燃やすのではなく、大地から育つものによってセメントを置き換える方法を探してきました。しかし、建物を支えるのに十分な強さを持つ代替品を見つけることは、依然として困難なままでした。
新しい研究において、研究者たちは、木材繊維が砂との混合物においてセメントを完全に代替できることを証明することで、この問題の解決に向けた大胆な一歩を踏み出しました。彼らは単にコンクリートに少量の木材を加えたのではなく、セメントを完全に取り除き、砂を結合させるためにセルロースナノファイバーのみを使用しました。これらの繊維は木から引き出された極めて細いストランドであり、肉眼では見えないほど小さいものの、互いに強く密着する天然の能力を備えています。研究者たちは、これらの繊維をさまざまな割合で砂と混ぜ合わせ、混合物を乾燥させ、その結果できたブロックがどの程度の荷重に耐えられるかをテストしました。彼らの研究は、セメントを一切使わずに固形材料を作ることが可能であることを示しており、軽量で低炭素、かつ潜在的にリサイクル可能な非構造用材料への道を開いています。
チームはまず、最も適した組み合わせを見つけるために、木材繊維の量と砂の種類を変えた12種類の異なる混合物を用意することから始めました。彼らは、砂の粒子を繋ぎ止めるためには最小限の繊維量が必要であることを発見しました。繊維が少なすぎると、乾燥した際に混合物が崩れてしまいます。この閾値を超えると、混合物は固体のブロックを形成し、扱うことが可能になりました。最も強固なブロックは、最も多くの繊維を含んでおり、3.73メガパスカル近い圧力に耐えることができました。これは高層ビルを支えるほどの強さではありませんが、何千年も前から壁や家を建てるために使われてきた材料である版築やアドベ（日干し煉瓦）に匹敵します。このことは、この新素材が庭の縁石、歩道のタイル、あるいは内装用の仕切り壁といった、非構造的な用途に適していることを示唆しています。
この研究における重要な発見は、これらのブロックがどのようにして形を保っているのかを理解することでした。セメントは、不可逆的な化学反応を通じて永久的な石のような構造を作り出すのに対し、木材繊維は水素結合と呼ばれる物理的な力によって結合します。これらは、繊維の分子にある水に馴染みやすい部分同士の弱い引き付け合いです。これらの結合は、繊維が互いに近くにあり、乾燥している状態に依存するため、ブロックが濡れると強度がほとんど失われてしまいます。研究者がブロックを水に浸すと、それらは柔らかく弱くなり、荷重を保持する能力の約95パーセントを失いました。しかし、この材料には驚くべき自己修復能力がありました。濡れたブロックを再び乾燥させると、元の強度を取り戻しただけでなく、以前よりもわずかに強くなっていました。この濡れては乾くというサイクルによって、繊維がより緻密で効率的なネットワークへと再配置されることが可能になり、結合プロセスが化学的ではなく物理的なものであることが証明されました。
研究者たちはまた、ブロックの作られ方がその強度に影響を与えることも観察しました。混合物が押し固められてブロックになる際、微細な繊維は、テーブルの上に平らに置かれた鉛筆の束のように、特定の方向に整列しました。これにより、ある方向には強いが別の方向には弱いという性質を持つ材料が生まれました。さらに、この新素材においては、ブロックの密度が従来のコンクリートのように強度を予測する指標にはならないことも分かりました。この新素材では、繊維が多いほどブロックは軽くなりますが、同時に強くなります。なぜなら、余分な繊維が砂の粒の間にさらなる結合を生み出すからです。また、研究では、ブロックの表面を撥水コーティングで処理することで、水の吸収量を大幅に減らすことができ、濡れた状態での弱さに対する潜在的な解決策を提示しました。
ブロックの微細構造を顕微鏡で観察すると、繊維はネットのような役割を果たしていることが分かりました。繊維が少ない混合物では、ストランドは個々の砂の粒の間の隙間を単に橋渡しするだけでした。しかし、繊維が多い混合物では、ストランドが連続的で高密度な膜を形成し、砂を完全に包み込み、強固なマトリックス（母材）を作り出していました。この、いくつかの「橋渡し」から「全面的な被覆」への移行が、繊維含有量の増加に伴って材料がより強くなる理由を説明しています。研究は、この材料が高層建築におけるコンクリートをまだ代替することはできないものの、日常的なあらゆる建築ニーズに対して、実行可能な低炭素の代替案となることを結論付けました。それは思考の転換を意味しています。つまり、建設の未来は、過去のような重厚で炭素集約的な化学反応を必要とするのではなく、むしろ木材繊維というシンプルで再生可能な力を利用して、世界を繋ぎ止めることができるかもしれない、ということです。
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