光るものすべてがゴミではない

コメディアンのドミトリ・マーティンはかつて、グリッターがウイルスのように永遠に残り続けることから、クラフト界のヘルペスと呼んだことがある。グリッターは、世界中のゴミでもある。バッグやボトルから砕かれた他のマイクロプラスチックと同様に、これらの小さな光沢のある破片は排水溝に流れ込み、風に飛ばされる。マイクロプラスチックは空気中や雨粒に混じって舞い上がり、北極圏の荒野に散らばり、海の底深くの堆積物に埋もれる。研究によると、乳児は驚くほど高い割合でグリッターを摂取しており、私たち人間も大量に摂取している。

現在、研究者たちは、少なくとも問題のラメの部分に関しては解決策があるかもしれないと考えている。生分解性で、少ないエネルギーで製造でき、さらには樹木にも生えるラメだ。そのラメとは、セルロースだ。植物の細胞壁を構成するのと同じ物質の小さな粒子だ。セルロースは結晶化すると光を反射するため、植物の構造を形成するだけでなく、蝶の鮮やかな虹色の羽や、孔雀の鮮やかな尾羽にも使われている。植物由来のラメは、木材パルプ、マンゴーの皮、コーヒーかすなど、本来はゴミになるような材料から簡単に抽出できる。

ケンブリッジ大学の研究者たちは、これらのナノ結晶をこれまで以上に大規模に製造する方法を模索しているが、そのプロセスは依然として非常に遅い。「様々なサイズのナノ結晶を製造でき、サイズによっては、製造した粒子を様々な製品の代替として利用できると考えています」と、化学の博士課程学生で、11月にNature Materials誌に掲載されたチームのプロセスに関する論文の筆頭著者であるベンジャミン・ドルージェ氏は述べている。大きな粒子は一般的なクラフト用グリッターの代わりに使用でき、小さな粒子は化粧品に混ぜることができる。

これらのキラキラ光るプラスチック片はごく小さいにもかかわらず、ヨーロッパの化粧品業界では毎年最大5,500トンものマイクロプラスチックが使用されています。また、プラスチック製のグリッターの代替品にも問題があることが分かっています。よく使われる鉱物の一つであるチタンは発がん性物質であり、来年にはヨーロッパで使用禁止となります。もう一つの選択肢である雲母は、児童労働によって採掘されることが多く、水生環境に有害な場合があります。

色によっては、顔料を使って作ります。ラピスラズリなどの岩石をすりつぶして水か卵黄と混ぜると、青い染料やテンペラ絵の具ができます。ケンブリッジ大学の化学教授でドロジェ研究グループの責任者であるシルビア・ヴィニョリーニ氏は、「色を変えるには、材料を変える必要があります」と語ります。しかし、色を作る別の方法があります。それが構造色です。これは、色が材料自体の特性ではなく、材料の微細構造によって作り出されることを意味します。ヴィニョリーニ氏はシャボン玉を例に挙げ、「最初は水で、透明なものです」と述べます。「しかし、構造ができれば、すぐに色が生まれます」と続けました。

セルロースナノ結晶が色を発するには、螺旋階段の段のように、360度の螺旋状に積み重なる必要があります。段差の高さや階段の角度によって、結晶は異なる波長の光を屈折させ、異なる色を作り出します。例えば、孔雀の羽には、緑、青、黄、茶色を反射するフォトニック結晶で満たされた、微細な毛のような構造が散りばめられています。

これらの情報はどれも目新しいものではないものの、実験室で活用するのは困難でした。これらの微小な結晶をどのようにして確実に鮮やかな色に組み立てるかを解明するのは容易ではなく、大量生産も同様に困難です。大手メーカーが最低発注量として要求する10ポンド（約4.5kg）には、ペトリ皿1枚分のグリッターは到底及びません。

これがドロゲのチームが市販の木材パルプ由来のセルロースを使って解決しようとした問題だ。まず、結晶を正しく形成させる方法を見つけ出す必要があった。結晶は自動的に構造を形成するが、どのような構造になるかは、セルロースが入っている水のイオン組成によって決まる。その組成を変えるには、「実際には塩を加えるだけです」とヴィニョリーニは言う。塩は分子同士が引き合う方法を変え、それが形成する形状、ひいてはそれらが作るラメの色を左右する。わずか5ミリグラムを加えるだけで、セルロース1キログラム全体の色が変わり、結晶は緑や青などの短波長を屈折する。塩の量が減ると、赤などの長波長を屈折する。

研究チームはまた、製造工程を精密に制御する方法も考案し、今では一般的な産業用機械であるロール・ツー・ロール装置を用いて、長さ1メートルのグリッターシートを製造できるようになりました。この装置は、ポリマーベース（いわゆる「ウェブ」）の束を巻き取り、ディスペンサーから均一量のナノクリスタル溶液を噴射します。この混合物は、ロールに塗布しやすい程度に薄く、かつ深みのある均一な色を残せる程度に粘性を持たせる必要があります。

この時点で混合物は透明であるため、チームはウェブを熱風乾燥機に通すまで、良いバッチをうまく製造できたかどうかわかりません。水分が蒸発すると、ナノ結晶の膜だけが残ります。色が突然現れ、深まります。「最後の瞬間は、本当に速いです」と、緑、青、赤、金のグリッターを製造したドロゲット氏は言います。その後、膜はウェブから剥がして粉砕し、工芸用グリッターにしたり、塗料に混ぜたりすることができます。このプロセスは、プラスチック製グリッターを製造するよりもエネルギーが少なく、最終製品は石鹸水、エタノール、油と混ぜても輝きを保つため、化粧品や食品にも使用できます。「原理が大規模に機能することを実証できたと思います」とドロゲット氏は言います。

しかし、彼らはまだ工業的な量産には挑戦していない。ケンブリッジ大学の装置を使って、ドロゲ氏が現在1キログラムのグリッターを作るのに約2ヶ月かかっている。生産量を増やすには、資金と、より大型のロール・ツー・ロール機を備えた商業施設へのアクセスが必要になる。今のところ、企業の参加を得るのは容易ではない。ヴィニョリーニ氏によると、メーカーは期待はしているものの、この素材が現在使用しているものと大きく異なるため、躊躇しているという。「これは全く新しい素材です」と彼女は言い、企業はそれがうまく機能するかどうかを確かめたいと考えている。

ヴィニョリーニ氏とドロゲ氏は、この素材がライフサイクルを通じてどのように分解され、その分解が環境にどのような影響を与えるかを理解するための実験も実施したいと考えています。彼らは、英国アングリア・ラスキン大学の生態学者ダニエル・グリーン氏と提携しています。グリーン氏は、他のセルロース系グリッターが藻類の成長にどのような影響を与えるかを研究しています。

グリーン氏によると、グリッターの全体的な問題の一つは、フェスティバルやパレードなどのイベントで大量に散布されることを前提とした素材であるという点です。「グリッターを山ほど撒けば、地元の環境に大きな影響を与えることになります」と彼女は言います。その影響には、植物の成長を阻害したり、動物の体内に入り込んだり、食物連鎖に入り込んだりすることが含まれます。もしセルロースナノクリスタルがプラスチックよりも早く分解し、分解に特定の理想的な条件を必要としないのであれば、食物連鎖からプラスチックの供給源を排除できる可能性があります。

しかし、セルロースのような有機物を添加するだけでも生態系に影響を与える可能性があるとグリーン氏は指摘する。結晶が分解するにつれて、環境にバイオマスが蓄積され、無機窒素などの化学物質の増加につながる可能性がある。これらの化学物質が大量に存在すると、植物や藻類が利用できる酸素が減少する可能性がある。「このような現象が起こるには大量の負荷がかかるため、少量のセルロース系グリッターでは起こりにくいでしょう」とグリーン氏は言う。

今のところ、チームは試作品のグリッターに問題を発見していないが、経年変化や長期的な影響の有無を理解するには、さらに長期間のテストを続ける必要がある。「この素材が解決策となることを願っていますが、同時に、この素​​材が引き起こす可能性のある他の問題についても検討し、それらも考慮に入れていることを人々に理解してもらうことが重要だと考えています」とヴィニョリーニ氏は語る。

マイクロプラスチック汚染の規模が甚大であることから、グリーン氏は、グリッターのような微細な汚染源に焦点を当てた対策は、車のタイヤや合成繊維といったはるかに大きな汚染源への対策を見落としてしまうのではないかと懸念している。しかし、グリーン氏はまた、できるところから変化を起こすことにはメリットもあると指摘する。「もし、ある種のゴミが環境に流れ込むのを簡単に止められるなら、なぜそれをしないのでしょうか？」と彼女は問いかける。

WIREDのその他の素晴らしい記事

• 📩 テクノロジー、科学などの最新情報: ニュースレターを購読しましょう!
• デジタル現実を脳に直接ジャックすることは可能でしょうか?
• 「ARこそが真のメタバースを実現する場所だ」
• TikTokが現実世界の友達と繋がるこっそりとした方法
• 高級感のあるお手頃価格の自動巻き時計
• なぜ人間はテレポートできないのでしょうか?
• 👁️ 新しいデータベースで、これまでにないAIを探索しましょう
• 🏃🏽‍♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください