メソポーラスシリカ

メソポーラスシリカ：規則正しい細孔構造が拓く可能性

メソポーラスシリカは、均一で規則正しい細孔（メソ孔）を持つ[二酸化ケイ素]を主成分とする多孔質材料です。その特徴的な細孔構造から、触媒、吸着剤、光学デバイス、ガスセンサー、分離膜など、多岐にわたる分野での応用が期待されています。粉末状のメソポーラスシリカは、物質の吸着や化学反応を促進する触媒として、また、薄膜状のものは光学特性を生かしたデバイスやガス検知センサーとして活用されています。

メソ孔と他の多孔質材料との比較

[国際純正・応用化学連合]の定義によると、細孔径2 nm以下をマイクロ孔、2～50 nmをメソ孔、50 nm以上をマクロ孔と分類します。メソポーラスシリカは、主に2～10 nm程度のメソ孔を持ちます。よく知られる多孔質材料であるゼオライトも二[[酸化ケイ素]]を骨格とする物質ですが、その細孔径は0.5～2 nmとメソポーラスシリカよりもはるかに小さく、マイクロ孔に分類されます。

この細孔径の違いが、メソポーラスシリカとゼオライトの特性を大きく左右します。ゼオライトのマイクロ孔は、タンパク質やDNAなどの巨大分子が侵入できないほど狭いため、これらの物質の吸着や分離には適していません。一方、メソポーラスシリカのメソ孔は、このような巨大分子を物理吸着することが可能です。これは、メソポーラスシリカの大きな利点の一つです。

しかし、ゼオライトとの比較において、メソポーラスシリカはいくつかの欠点も持ち合わせています。ゼオライトの細孔壁は結晶構造を持つのに対し、メソポーラスシリカの細孔壁はアモルファス（非晶質）構造です。このため、ゼオライトに比べて耐熱性、耐水性、機械的強度が低く、また固体酸性も持ちません。さらに、細孔径分布の均一性もゼオライトに劣ります。

メソポーラスシリカの合成

メソポーラスシリカの合成法は、近年、多様な手法が開発されてきました。その中でも、1992年にモービル社の研究グループによって開発された分子鋳型法（テンプレート法）が広く用いられています。この方法は、界面活性剤を鋳型として用いるゾルゲル法の一種です。

まず、水溶液中に界面活性剤を、臨界ミセル濃度以上の濃度で溶解させます。すると、界面活性剤の分子が集合し、特定の大きさ・構造を持つミセル粒子を形成します。このミセル粒子が規則的に配列し、コロイド結晶（自己組織化）を作ります。次に、このコロイド結晶を含む溶液にシリカ源（例えば、テトラエトキシシラン）と少量の酸または塩基触媒を加えます。すると、ミセル粒子間の空隙でシリカゲル骨格が形成されます。最後に、高温焼成によって界面活性剤を除去することで、純粋なメソポーラスシリカが得られます。

用いる界面活性剤の種類を変えることで、メソ孔の大きさ、形状、充填構造を制御することが可能です。代表的な例として、MCMシリーズ（小分子系カチオン性界面活性剤使用）やSBAシリーズ（ブロックコポリマー使用）が挙げられます。また、メソポーラスシリカの細孔内を有機分子などで修飾し、有機無機ハイブリッド材料とする研究も盛んに行われています。早稲田大学の研究グループは、1990年にメソ多孔体の細孔径制御に世界で初めて成功しました。この研究は、メソポーラスシリカ研究の大きなブレークスルーとなりました。

まとめ

メソポーラスシリカは、その独特の細孔構造から、様々な分野で注目されている材料です。今後、更なる合成法の開発や特性の改良、そして新しい応用分野の開拓が期待されます。

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