40年前、プラスチックは鉄を抜いて世界で最も広く使用されている素材となりました。確かに、手頃な価格で柔軟性のあるポリマーは現代生活に多くの利便性をもたらしました（タッパーウェア！テフロン！マジックテープ！）。さらに、飛行機、自動車、スマートフォンなど、より重要な役割を担うようになりました。しかし、落とし穴があります。プラスチックは、代替となる多くの金属とは異なり、修復が非常に困難です。目に見えない亀裂でさえ強度を損なう可能性があります。新しいタイプのスマートプラスチックは、ひび割れた携帯電話の画面を修理したり、飛行機の翼を縫い合わせたりと、自ら亀裂を修復することができます。
ナンシー・ソトスは90年代にこの分野の先駆者となりました。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の彼女のチームは、様々な方法で自己修復可能な複合材料を開発しました。
金属構造物のプラスチックコーティングを補修することで、船舶、橋梁、風車の寿命を延ばすという研究があります。「従来のコーティングは傷によって劣化し、錆びの原因となります」とソトス氏は言います。初期の自己修復プラスチックは、現在スピンオフ企業であるオートノミック・マテリアルズによって販売されており、その全体にマイクロカプセルが埋め込まれています。プラスチックにひび割れが生じると、カプセルが破裂して樹脂と触媒が放出され、それらが反応してひび割れを埋めます。
車のバンパーや飛行機の翼のように、完全に複合材料で作られたものには、マイクロカプセルでは不十分です。カプセルが使い果たされると、それ以上の修復は起こりません。ソトス社の最新複合材料の一つには、自己修復剤を何度も送り込み、亀裂を埋めることができる溝が組み込まれています。この材料は実験室で同じ箇所を30回も修復することができました。しかしソトス社によると、安全性が極めて重要な用途に十分な信頼性を発揮するには20年かかる可能性があるとのことです（つまり、自己修復航空機が登場するずっと前に、自己修復バンパーが登場するでしょう）。
極限環境下で使用される材料には、さらに高度な創意工夫が求められる。ペンシルベニア州立大学のエンジニア、メリク・デミレル氏は、搭載触媒に頼る代わりに、水、熱、圧力によって修復反応が引き起こされるポリマーを開発した。このポリマーのタンパク質は、切断された水素結合を再結合することで自己修復するイカの歯のタンパク質を模倣している。
「水素結合は自然界があらゆるものを組み立てる仕組みです」とデミレル氏は言う。そのため、修復された材料は元の化学組成に戻り、本来の強度を取り戻す。これまでに彼のチームは、犬の噛むおもちゃや模造レゴを修理した。将来的には、この手法で深海光ファイバーケーブルを修復できるようになるかもしれない。
自己修復プラスチックは将来、宇宙に進出できるかもしれない。ミシガン大学のポリマー科学者、スコット・ザヴァダ氏は、空気と反応する液体をポリマーの層で挟んだものを考案した。ポリマーに穴が開くと、容器内の空気が液体と反応し、1秒も経たないうちに硬化する。この技術は、将来的には火星の居住地に飛来したゴミによってできた穴を塞ぐことができるかもしれない。
ソトス氏は今後、「永遠の素材」と呼ぶものに目を向けています。私たちの体やその他の自然界のシステムは、何度も再生を繰り返しますが、実際には形を変えることはありません。そこで彼女は、ポリマーが自然を凌駕できるのではないかと考えます。「もし老化しない素材があったらどうでしょう？」
この記事はもともと、2016年3月/4月号の『ポピュラーサイエンス』誌に「スマートなプラスチック」というタイトルで掲載されました。
