朱美芳院士：先進的な繊維材料を織ると美しい生活になる

図は青島即発盛宝紡績有限公司の紡績知能生産ラインがハイエンド繊維を生産している。梁孝鵬摂（新華社発）

2024年6月、嫦娥6号着陸器が携帯した五星紅旗が月の裏側で展開に成功した。大昔から、人間は動物の毛皮、樹皮、草葉などの天然繊維材料を利用して衣類を作って寒さを防ぎ始めた。人類社会と同期して発展している繊維材料は、一連の新技術によって新しい姿を現し、服を縫う生地から衣食住と生産生活の各方面に奉仕する先進的な基礎材料に進化している。

　　人類と「同い年」であり、常に革新的な実用技術を発展させている

繊維材料技術は実用的な需要から生まれた。体毛の退化に伴い、人間は亜麻、綿、羊毛、シルクなどの動植物から繊維を抽出し、より柔軟で耐久性のある生地に精製することを学んだ。古代インドでは綿が布に織られ、世界各地に広まった。古代エジプト人は亜麻で衣服を作った、中国のシルクは実用性と美しさを兼ね備えているだけでなく、それを絆として世界をつなぐシルクロードを形成し、貿易発展と文明交流を推進している。これらの天然繊維は自然由来で、原材料や人工飼育で栽培された動植物から直接取得し、一般的に吸湿性、通気性、肌への親和性、環境に優しい特性を有し、主に紡績工業に応用されている。

天然繊維の細さと長さが不均一で、伸長能力が弱く、化学繊維技術が誕生した。1664年には、科学者は天然高分子または人工合成高分子材料を加工処理し、繊維材料を作製することを構想していた。しかし、当時は繊維の基本構造についてあまり知られていなかったため、この考えは200年以上後の19世紀になって実現された。1891年、レーヨン（ビスコース繊維）の初製造に成功し、人類が化学繊維を製造する能力を持ち始めたことを示した。1935年、ポリアミド繊維の発明は、合成繊維の歴史を切り開いた。この繊維材料には、ナイロンというよく知られた俗称もある。ナイロンの耐摩耗性は綿の10倍で、強度は綿より1-2倍高く、羊毛より4-5倍高く、何万回もの曲げに耐えて断裂することができ、化学安定性が強く、衣類、ロープなどの理想的な材料であり、多くの分野で天然繊維に迅速に取って代わる。続いて、有機二塩基酸とジオールを化学的に重縮合した合成高分子からなるポリエステル繊維（ポリエステル）、石油精製副産物であるプロピレンを原料とするポリプロピレン繊維（プロピレン）などの合成繊維が相次いで登場した。

ナイロン、ポリエステル、アクリルのほかに、よく見られる合成繊維にはアクリル、塩素、ビニル、スパンデックス、ポリオレフィンストレッチ糸などがあります。これらの繊維材料はすべて合成された高分子化合物から作られ、自然界の新種のように、その独自の特性と優位性で、繊維材料の応用範囲を広げ、日常生活の中で重要な役割を果たしているだけでなく、工業生産の中で巨大な潜在力を示している。

20世紀後半、合成繊維材料は急速な発展時期を迎えた。人工合成高分子材料の大量出現と現代高分子科学の進歩に伴い、高性能繊維は合成繊維ファミリーの新たなメンバーとして頭角を現しつつある。科学者たちは分子設計、高分子合成と繊維加工技術を巧みに利用して、一連の性能に優れた先進的な繊維材料を作り出した。例えば、炭素繊維は炭素含有量が90%以上の高強度高モード繊維であり、高強度、軽量、耐高温特性を有し、直径は髪の毛糸の1/10から1/12しかなく、強度はアルミニウム合金の4倍以上であり、航空宇宙、スポーツ器材、高速鉄道自動車などの分野で大いに活躍している。また、芳香族ポリアミド繊維（アラミド）のように、その防弾、防火、耐化学腐食の特性で、工業防護と軍事分野で重要な地位を持っている。超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）繊維もあり、その極めて高い強度と優れた耐摩耗性能で、高強度ロープの第一選択となっている。

　　知覚、着用、応用が広く、新型繊維材料はSFシーンを現実にすることが期待されている

材料の性能だけで言えば、合成繊維は限界に達しているようだが、科学技術の発展には想像力が必要だ。多くのSF映画では、人々が身につけている服は「七十二変」だけでなく、知恵抜群の有能なアシスタントのように、さまざまな電子製品が集積されている。材料科学が絶えず発展し、光学、電磁気学、情報技術などの他の学科と交差融合するにつれて、知能繊維材料はSFシーンを現実にすることが期待されている。

インテリジェント繊維材料集積センサーと各種機能材料は、外部環境の微妙な変化を鋭敏に感知し、応答することができる。このような特性は、そのマルチスケール微細構造、独特の光、電気、力、熱、磁気エネルギー、および柔軟性機能に由来する。これにより、携帯型電子製品、マンマシンインターフェース電極、エネルギー貯蔵と変換設備などはすべて繊維状知能材料に集積することができ、そして着用可能、応答可能、美化可能な柔軟性織物に編まれ、知恵モニタリング、知恵医療、知恵交通、知恵生活などの分野で重要な役割を果たす。

新型の「非プラグイン」インテリジェント繊維を例に、それは人体とマッチングするエネルギー相互作用メカニズムに基づいて、無線エネルギー収集、情報感知と伝送などの機能を一身に集めている。この繊維で編まれたスマートテキスタイルは、従来のチップや電池に頼ることなく、発光表示、タッチなどの人的インタラクション機能を実現し、ウェアラブルデバイスとスマートテキスタイルのハードウェア構造を効果的に簡素化し、現在のウェアラブルデバイスの「不快感」を解決することが期待されている。この画期的な成果は、人と環境の知能対話のために新たな可能性を開き、知能繊維材料の広範な応用の将来性を示した。将来的には、スマート繊維は生産生活の各分野との融合発展の中で、私たちがよりスマートで便利で快適な未来の生活に進むことに伴います。

交差融合のほか、新型繊維材料も最も基礎的で本質的な材料源の上で突破に努力している。科学者たちは遠い月に目を向け、不思議な繊維材料である月ローム繊維を作り出した。月の土、この月面を覆う神秘的なベールは、細かい岩石、鉱物粒子、微小なガラス玉で構成されている。その主要成分はケイ酸塩、酸化物、少量の金属元素を含み、高温溶融と糸引き技術を通じて、これらの成分は卓越した性能を持つ繊維材料に転化することができる。地球上では、玄武岩繊維はその優れた力学性能、耐食性、広い動作温度範囲と低熱伝導率で、建築、交通などの分野の重要な材料となっている。月境と地球の玄武岩鉱石は成分と性質に驚くべき類似点がある。地球上の玄武岩繊維の製造技術を参考にして、月境を利用して引き延ばした繊維は月基地建設材料になり、その場の取材需要を満たすことが期待されている。「家づくり」の材料があれば、地球外に長期滞在してエネルギー開発を行うことが現実になり、人類が宇宙の奥底への扉を開くかもしれない。

科学技術の進歩に伴い、新型繊維材料の研究応用は新たな段階に入っている。現在、科学研究者は材料科学、物理化学、電子情報、システム科学などの多学科知識を十分に利用して、絶えず新型繊維材料を創製して、それにかつてない性能と機能を与えている。直径がより細く、チェーン配向がより良く、構造欠陥がより少なく、最小エネルギーでより複雑な機能とより高性能を実現し、新型繊維材料の発展方向となった。性能的な飛躍に加え、将来の繊維材料は自然に対してより友好的になるだろう。人類の持続可能な発展、生物系繊維、生分解性繊維の革新的な開発に基づいて、環境汚染問題を解決するために新しい構想を提供する。

一本の繊維が、人類の発展を目撃し、未来の生活につながっている。天然繊維の素朴さから合成繊維の多様性、そしてスマート繊維の奇妙さまで、繊維材料の技術革新は人類の生活に新たな色を加え、新たな驚きをもたらしている。現在、繊維材料科学はすでに多学科交差の研究最前線となり、繊維技術も現代工業発展の重要な構成部分となっている。私たちは、より多くの先進的な繊維材料が生産生活に便利さをもたらし、我が国の産業のモデルチェンジとグレードアップに動力を注入することを期待している。（著者：朱美芳）

（著者は中国科学院院士、東華大学材料科学・工学学院院長）

出所：「人民日報」（2024年08月16日第20版）