Multiscale mechanical performance of plant-based and hybrid yarns for biodegradable fishing Net

現在、海は「ゴーストフィッシング」として知られる現象によって、魚、ウミガメ、海鳥を捕らえ続ける、放置された漁具という静かで執拗な形の汚染に喘いでいます。網、罠、釣り糸が海に流されると、それらは単に消えてなくなるわけではありません。代わりに、それらは何年も漂い続け、海洋生物を捕らえ続けます。数十年にわたり、この問題への解決策は、綿や麻のような天然繊維を、ナイロンやポリエステルといった合成プラスチックに置き換えることでした。これらの人工素材は非常に強靭で腐りにくいため、漁師の網としては優れていますが、紛失した場合には環境にとって災厄となります。その耐久性こそが有用性を高める一方で、海中に数世紀にわたって残り続け、マイクロプラスチックへと分解され、海洋生物に害を与え続ける原因となるのです。科学者たちは現在、中間の道を模索しています。それは、魚を捕まえるのに十分な強さを持ちながら、もし紛失した場合には消滅できるほど生分解性を備えた素材です。課題は、使用中にすぐに壊れてしまうことなく、プラスチックの強靭さに匹タル植物ベースの繊維を見つけ出すことにあります。

香港科技大学の研究チームは、植物繊維で作られた漁網を製作・破壊することで、このアイデアを検証する試みに着手しました。彼らは2つの特定の天然素材、すなわち果実産業の副産物であるパイナップル葉繊維と、伝統的な繊維作物であるヘンプ（麻）に焦点を当てました。これらの素材が現実の世界でどのように機能するかを確認するため、研究者たちは単なる一本の糸のテストにとどまりませんでした。彼らは、単純な撚り糸から、結び目のあるセクション、そして完成した網のパネルへと、3つの異なる複雑性のレベルで素材を検証しました。彼らは、これらの植物ベースの選択肢を、標準的なポリエステルや、両者の混合物と比較しました。その目的は、繊維が撚られ、結び目にされ、網として織り込まれたときに、その強さがどのように変化するかを理解することにありました。なぜなら、テーブルの上では強くても、張力がかかる複雑な構造の一部となったときには、全く異なる挙動を示す可能性があるからです。

研究者たちはまず、これらの繊維のストランドを撚り合わせて二重撚りの糸を作成し、素材が最も強くなる「スイートスポット」を見つけるために、さまざまな撚りの強さでテストを行いました。その結果、撚りの強さと強度の関係は、すべての素材において同一ではないことが判明しました。パイナップル葉繊維の場合、特定の適度なレベルまで撚ると強度が大幅に向上しましたが、撚りすぎると逆に弱くなってしまいました。対照的に、ポリエステル糸は、撚りを強くするにつれて単に伸びやすくなるだけでした。データを分析することで、チームはすべてのテスト対象素材にとって最適なバランスとなる特定の撚りレベルを特定し、それが網を構築するための理想的な条件であると判断しました。また、繊維を海水にさらして、どのように劣化するかについても調査しました。結果は明白でした。ポリエステルはほとんど変化しませんでしたが、ヘンプとパイナップル繊維は、ひび割れや表面の剥離などの目に見える摩耗を示し、植物素材が確かに海洋環境の影響を受けやすいことが確認されました。

次に、チームは漁網における最も重要な故障点である「結び目」へと進みました。網が引っ張られるとき、結び目は締まり、負荷の大部分を負担します。研究者たちは、漁網で一般的に使用されるダブル・ウィーバーズ・ノット（二重の編み結び）を結び、それが破断するまで引きました。ここで、素材の性能は驚くべき変化を見せました。純粋なパイナップル繊維の糸は、破断するまでに最も高い絶対重量を保持し、この特定のテストにおいてはポリエステルをも上回りました。しかし、ポリエステルベースの混合物は、結び目にされた後の元の強度を維持する能力において優れていました。純粋なヘンプの糸は最も成績が悪く、結ばれた後に強度の半分以上を失いました。この発見は、ある重要な教訓を浮き彫りにしました。すなわち、「単体で強い素材が、必ずしも強い結び目を作るわけではない」ということです。パイナップル繊維の粗い表面が、結び目の中で互いにしっかりとグリップするのを助け、構造が即座に破断することなく再配置・緊密化することを可能にしたようです。一方、滑らかなヘンプ繊維は滑ってしまい、早期に失敗しました。

最後に、研究者たちはこれらの糸を小さな網のパネルへと組み立て、構造全体が荷重に対してどのように振る舞うかを検証しました。彼らはコンピュータシミュレーションを用いて、目（開口部）の小さい網と大きい網を比較し、目の方が大きい網の方が一般的にストレスをより均等に分散させ、破断する前に、より多くの荷重を保持できることを明らかにしました。物理的な網をテストしたところ、純粋なパイ型のパイナップル繊維の網が最も堅牢であり、破断するまでに最も高い力を支えられることが証明されました。この網は、負荷を網全体に引き伸ばして再分配することができ、単一の箇所が早すぎる破断を起こすのを防ぐことができました。ポリエステル製の網も非常に強力でしたが、限界に達する速度はわずかに速いものでした。ヘンプの網は、非常に均一な伸びのパターンを示したものの、はるかに低い重量で失敗しました。研究は、ポリエステルが耐久性と伸展性の基準であり続ける一方で、完全に植物ベースのパイナップル繊維システムが、機械的に競争力のある代替案になり得るという結論を下しました。これは、適切な設計さえあれば、漁網を再生可能な資源で作ることができ、作業には十分な強さを持ちながら、もし紛失した場合には消滅できるほど海洋環境に優しいものにできることを示唆しており、海洋のプラスチック汚染を軽減するための有望な道筋を提示しています。