1124■ 研究紹介エアロゲルの開発と応用
千葉大学 大学院理学研究院

田端 誠
makoto@hepburn.s.chiba-u.ac.jp
2020 年 (令和 2 年) 2 月 12 日

1

はじめに
エアロゲル。透明で，軽く，パサパサしたもの。指にまとわりつく。一般に「シリカ」エアロゲルを指して単にエアロゲルと呼ぶ。「エアロゲル」自体は物質名ではない。化学で習う「ゲル」と同じように物質の様態を表す用語である。ゲルは分散質と液体分散媒から成り，粘性が高く，流動性を失った分散系を指す。流動性を保っていれば「ゾル」である。「ゲル」はドイツ語読み，英

語読みでは「ジェル」とのことだ。したがって「エアロジェル」ともいう。分散媒を気体，通常は空気（エア）はそのままでも優秀な断熱材だ。ただし，一般に非常に脆い上に製造コストがかさむという欠点がある。分散質

ネットワークを化学的に修飾することにより強度を増したり，熱伝導率を向上させたりする研究が盛んだ。コストのかかる超臨界乾燥法に替えて，常圧乾燥法なる新技術を駆使する研究者もいる。著者の開発の方向性はそのような経済性の追求には至っていない。キーワードは屈折率と透明度，加えてモノリシックである。もっと高屈折率に，そして低屈折率に。さらに透明に。できる限り大きなエアロゲルを。

に置換したゲルが「エアロゲル」と呼ばれる。固体様ではあるが厳密には固体ではない（非結晶質）。ガラスが正統な固体とは見なされないのと事情は同じである。ガラスの主成分はシリカ（SiO2 ）である。エアロゲルで最もなじみ深いのが，シリカが分散質となった「シリカエア
ロゲル」であるといえる。裏を返せば，エアロゲルはシリカに限らないことを意味する。シリカに次いでイメージしやすいのはカーボンエアロゲルだろうか。比較的近年見出されたエアロゲルである。ほかにもアルミナエア

ロゲルなどがある。著者はもっぱらシリカエアロゲルの研究に情熱を注いできたので，本稿でもエアロゲルといえばシリカエアロゲルを指す。「シリカエアロゲル」と材質を特定すれば，物質名とみなしても問題なかろう。
これが単に「エアロゲル」と略されるので，結局，物質名のように感じる。さらに「ゲル」と短縮されることも多いが，英語でも「aerogel」で一単語であり，著者はなるべく「エアロ」と「ゲル」を切り離さない。

それはシリカゲルに空気を入れたら作れるのだろうか。事は単純ではない。作るのはかなり厄介な仕事である。原材料はすべて液体だ。ゾル–ゲル法により湿潤ゲルを合成し，超臨界乾燥法で分散質の占める体積を保ったまま溶媒を抽出する。化学である。実際，世界中の化学者，物質科学者がエアロゲルの研究に熱い。論文もさまざまなジャーナルで毎週のように発表される。その多くは断熱材としての応用を目指している。エアロゲル

図 1: 屈折率 1.03 のエアロゲル。（上）背景が透過して無色に見える。（下）同一のエアロゲルが散乱された青い光により色づいて見える（オンライン版参照）。

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0.6
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4.2

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8131

図 14: 分光光度計（日立 U-4100）による透過率測定。
測定室は大型試料の透過率測定用にカスタマイズされている。紙面左から右に向かってエアロゲルを透過した光を積分球で集光し，光検出器に導く。エアロゲルによる微小角散乱光が積分球に入射しないように，エアロゲルの下流側表面と積分球の入り口を 10 cm 離すことにし

ている。

4.3

透明度の屈折率依存性

エアロゲルの透過長は屈折率に依存するといえるが，これを説明する原理が存在するわけではない。おのおのの屈折率において，現在までに試行された製法でどれくらいの透明度を獲得しうるかをプロットできるだけ

図 15: 屈折率に応じて製作できるエアロゲルの透過長（参考文献 [12] から改変）。屈折率と透過長の測定波長はそれぞれ 405 と 400 nm である。

4.4

密度と屈折率の関係

透過長を算出するためにエアロゲルの厚さを測定するが，このとき寸法と重量も測定し，エアロゲルの密度を記録しておくと有益である。前述のように，エアロゲルの屈折率 n と密度 ρ は，近似的に n − 1 = kρ という線形関係にある [7]。パラメータ k は，屈折率の測定波長に依存するが，疎水性のエアロゲルでは概ね 0.25–0.3 cm3 /gである。屈折率が低いエアロゲルは，密度が小さく物質の範囲に収まる。寸法と重量は誰でも測定できるので，うではない。これは定性的には，レイリー散乱の強度がきる。また，重量をモニタすれば吸湿の有無の確認にな量が少ないので透明度が高いと思われるが，必ずしもそエアロゲルの微細構造のスケールや均一さ（シリカクラ
スターとポアのサイズや配置）に依存するためと解釈できる。たとえば溶媒に DMF を用いると，微細構造のスケールが小さくなることが小角 X 線散乱法で示されて
おり [7]，透明度が高くなる。

図 15 に，屈折率に応じて達成されている（波長 400 nm

における）透過長を示す。標準製法でメタノール溶媒を用いる場合、屈折率は 1.02 から 1.14 に限られるうえ，

1.025 における透過長 40 mm をピークに低屈折率側でも高屈折率側でも透明度が急激に低下する（●）。これをエタノール溶媒に替えると，透明度は伸び悩むものの1.003 の超低屈折率まで製作が可能となる（□）。DMF

溶媒を導入すると，1.03 より高屈折率側で大幅に透過長が向上する（■）。メタノール溶媒の湿潤ゲルにピンホー
ル乾燥を施すと，1.10 から 1.25 までの超高屈折率領域

で 20 mm 以上の透過長を得られる（▲）。これを DMF

溶媒に替えると透過長が 35–40 mm に向上する（△）。
現在の最長透過長は，屈折率 1.03 で得られる 70 mm である。

特別な機器がなくとも屈折率のおおよその値を推定でる。十分疎水化されたエアロゲルでは，環境中の水分な
どの化学物質が，微細構造のポア表面に化学的に結合することは実用上十分に防がれる（このような化学吸着は取り除くことが困難）。一方，ポアに少量の水分などが物理吸着（弱くトラップ）されることは避けられないが，
このような吸着はエアロゲルが完成して超臨界乾燥の圧力容器から取り出したのちに速やかに飽和すると思われる。エアロゲルを数十度に加熱すると，このような物理吸着された成分が離脱するので，一時的にわずかに重量が減少する（このとき，超臨界乾燥で残留した分散溶媒も揮発しうる）。エアロゲルが経年変化で膨張することはないが，わずかに収縮することは観察される。寸法測
定で収縮率がわかれば，屈折率の増分を（最小偏角法を用いずとも）推定することもできる。

5

エアロゲルの応用例
エアロゲルのチェレンコフ検出器への応用の歴史と，海外も含めた最近の動向については，たとえば参考文献[13] と [14] に詳しい。また，エアロゲルは超低速ミューオンの生成ターゲットとしての有用性も見出されており，

9132

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5.2

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