次世代構造材料として期待されるミノムシシルクの強さの秘密を構造科学的に解明 No.042
次世代構造材料として期待されるミノムシシルクの強さの秘密を構造科学的に解明
成果のポイント
- ミノムシシルクの強さの秘密を構造科学的に解明
- 延伸過程のダイナミクス解析によりミノムシシルクの理想的変形挙動が判明
- ミノムシシルクの産業利用に向けた取り組みを加速化
研究・開発機関：（国研）農研機構 / 豊田工業大学
SPring-8の活用
背景
ミノムシの糸「ミノムシシルク」は、高強度・高弾性率・高タフネス*と優れた力学特性を示すとともに、線形性の高い応力応答挙動を示すことから、繊維強化複合材料の強化繊維など、次世代構造材料**としての高いポテンシャルを有しており、産業的な活用も期待されています。しかし、「ミノムシシルクが他のシルクに比べなぜ顕著な力学特性を示すのか？」については明らかにされておらず、実用化に向けた取り組みを進める上で、強さの科学的裏付けが求められていました。
これらの科学的裏付けを証明するためには、ミノムシシルクを引張り・破断するまでの“応力ひずみ挙動”の測定と、その間に生じる構造変化の“ダイナミクス”測定との同時測定が必要ですが、延伸により刻一刻変化する構造の変化をリアルタイムで捉えるには難しい点がありました。
成果の詳細
そこでSPring-8の高輝度X線を活用し、引張り試験を行いながら広角X線回折（WAXD）***と小角X線散乱（SAXS）****実験を行いました。
これら実験から、延伸時の応力ひずみ挙動に対応する様々な階層スケールでの構造変化を捉えることに成功しました。また解析結果より、ミノムシシルクは高い秩序性階層構造を有しており、その秩序性が破断まで保たれる理想的な変形挙動を示すことが分かりました。この理想的変形により、結晶への均一な応力分布が破断まで維持され、結果として高強度・高タフネス性の力学特性が発現されます[1]。ミノムシシルクの強さの秘密が構造科学的に裏付けられたことで、材料としての特徴が明確となり、最適な用途の方向性が定まるなど実用化に向けた取り組みの加速に繋がりました。
■ミノムシシルクの高秩序性階層構造
WAXDおよびSAXS解析の結果、ミノムシの糸は、カイコやクモなど他のシルクに比べ秩序性の高い階層構造から成ることが分かりました。
■SPring-8における力学挙動と構造変化の時分割同時測定
SPring-8の構造生物学IIビームライン（BL40B2）を利用し、糸束延伸時の、①引張試験、②WAXD・③SAXSの同時測定を行ないました。ひずみ速度 7×10-4 s-1の延伸に対し、ひずみ間隔（0.6%）での極めて細かい時分割測定に成功し、力学応答挙動と構造変化との因果関係が明確になりました。
■延伸時の構造-物性相関
分析の結果、ミノムシシルクは、延伸時、破断に至るまでカイコ由来のシルクと比べ、応力均一分布が維持される理想的な変形を示すことで、高い強度とタフネスを発現していることが分かりました。
■ミノムシシルクの強さの秘密
ミノムシシルクと他のシルクとの間で認められた構造-物性相関の相違は、結晶と非晶から成るネットワーク構造モデルの非晶長さの均一性に着目することで説明されます。ミノムシシルクとその他のシルクを延伸させると（図、右側）、ミノムシシルクは非晶長さが揃っているためネットワークを維持しますが、その他のシルクは非晶長さが不揃いなためネットワークを維持できません。今回の知見は、将来より強くタフな人工シルクを創製する際の目指すべき構造デザインを与えてくれます。
参考文献：
[1] Yoshioka T., Tsubota T., Tashiro K., Jouraku A., Kameda T., Nat. Commun. 2019, 10, 1469.
用語解説
*タフネス：
応力ひずみ曲線の積分値で与えられ、繊維が破断するまでに吸収するエネルギーに相当する。丈夫さの指標として用いられ、値が高いほど粘り強く丈夫であることを示す。
**構造材料：
外力の作用に対し、製品の所定の形状を支える構造体となる材料を指す。
***広角X線回折：
X線回折散乱のうち、結晶の詳細な構造や分子鎖の構造が分かる分析手法。
****小角X線散乱：
X線を物質に照射して散乱したX線のうち、散乱角が10°以下の低角領域に現れるものを測定し、物質の構造を評価する分析手法。
【関連情報】
- 関連ビームライン：BL40B2
- 掲載日：2021年10月1日