革新的な透明木材が持続可能なプラスチック代替品を提供

最も重要な再生可能で持続可能な資源の一つは木材です。私たちの身の回りに存在し、驚くべき特性を持っています。 この耐久性と多用途性を備えた素材は、汚染を出さず持続可能な自然の断熱材です。

木材は薪、紙、建築から家具、燃料、香料、芳香剤に至るまで幅広い用途があります。何世紀にもわたり、人類の文明と経済発展に不可欠な存在でした。 

現在、私たちは木材、その利用例、そして私たちの生活における重要性に皆熟知しています。しかし、木材は透明にすることも可能です。樹木から得られるこの自然に存在する固体材料は、木材の主要成分を置換することで透明木材に変換できます。

木材は主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの3つの成分から構成されており、リグニンとヘミセルロースを除去すると木材は透明になります。 

リグニンの暗い色は複雑なクロモフォアによるものです。一方、セルロースとヘミセルロースは無色です。

これらの成分を除去すると、セルロースの多孔質で紙のようなネットワークが残ります。その後、無色の材料がこれらの孔を埋め、ある程度の剛性を回復させます。 

この興味深い木材の変換は、強度を保ちつつ透明にするもので、最近のものではなく、数十年前に最初に発見されましたが、持続可能な材料研究で注目を集め始めたのは最近のことです。

透明木材: 科学的ブレークスルー

木材を透明な材料に変換する研究は、1992年にドイツの科学者シグフリート・フィンクによって開始されました。

目的は、木本植物の内部構造を解剖せずに観察することでした。そこで、植物学者は色素を漂白し、透明木材を作り出しました。

フィンクが最初にこの発見をした後、10年以上の間この分野の研究は行われませんでしたが、スウェーデンのKTH王立工科大学の材料科学者ラース・ベルグラントが透明プラスチックの代替品の創出に取り組むまでです。

透明木材の開発から5年後、研究者たちは2021年に環境に優しい代替品を成功裏にテストしました。その代替品はレモン皮などの再生可能な柑橘類から作られるリモネンアクリレートです。成功裏にテストしました¹ 

「化石系ポリマーの置換は、持続可能な透明木材を作る上での課題の一つでした。」

– 当時のベルグラント

この新しい複合材料は、1.2 mmの厚さで光透過率90％、ハゼ30％という極めて低い濁度を示しました。構造用途向けに開発され、弾性率17 GPa（約2.5 Mpsi）と強度174 MPa（25.2 ksi）という高い機械的性能を有しています。

同時期に、メリーランド大学（UMD）の梁炳胡教授は木材の強度活用に関心を持っていました。彼らは、エポキシ樹脂を添加した透明木材がガラスの10倍、透明プラスチックの3倍の耐衝撃性を持つことを発見しました。

2019年、UMDの研究者は、木材を完全に脱リグニンし密度を高めることで、機械的強度404.3 MPa（自然木の8倍以上）を持つ構造材料を開発しました。研究者によれば、彼らの冷却木材はエネルギー消費を20％から60％削減できるとされています。

透明木材の研究における人気の高まり

近年の継続的な技術進歩により、透明木材はもはや単なる科学的な新奇性ではなくなりました。実験が成果を上げ、研究室を超えた可能性を示すにつれ、ついに注目を浴び始めています。

特に透明木材の光学的、物理的、機械的特性は大きな関心を呼んでいます。例えば、透明木材は非常に強く、かつ軽量です。

さらに、透明木材はガラスより断熱性に優れており、建築分野で大きな利点があります。しかし、ガラスは無毒でリサイクルが容易なため、環境面ではより優れているとされています。

それでも、透明木材は植物由来の他の材料と同様に多くの環境上の利点があります。まず、生分解性であることです。また、無限に育成でき、新たな成長が二酸化炭素を捕捉・固定するため、環境に有益です。

A 透明木材のライフサイクル評価研究³によると、その再生可能かつ生分解性の特性により、従来の石油系ポリマーの代替となる可能性があります。廃棄時（EOL）分析では、ポリエチレンと比較して環境影響が107倍低減されました。

さらに、研究は透明木材のクレードル・ツー・ゲート分析で、硫酸ナトリウム、苛性ソーダ、過酸化水素による脱リグニンとエポキシ浸透が最も環境負荷を低減すると指摘しています。

用途としては、透明木材は照明器具、スマートウィンドウ、さらにはスマートフォンにも利用可能です。また、エンジニアがタッチセンサー機能を持つ透明木材への電子機器統合に取り組んでいることから、自動車分野への応用も期待されています。

この木材の他の応用として、木材ベースの発光ダイオード（LED）や磁性ナノ粒子を添加した電磁干渉（EMI）シールドなども開発中です。

しかし、透明木材の大規模採用は、スケールアップされた製造技術が不足しているためまだ実現していません。さらに、研究者は透明木材の生産持続性向上にも取り組んでいます。

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自然素材を使用して強く透明な木材を作る 

研究者は実際に、半透明木材を開発しました、卵白や米などの自然素材を用いて、頑丈で生分解性のプラスチック代替品を実現しました。

Kennesaw州立大学（KSU）の化学教授バラット・バルアは、米国化学会（ACS）の会合でこの研究を発表しました。この研究は、電気伝導性、光学的透明性、柔軟性といった特性を持つ透明木材（TW）を作ることを目指しています。

これらの特性により、木材はエネルギー効率の高い電気機器に利用でき、私たちの生活に欠かせない部品となります。

センサー、フレキシブルエレクトロニクス、エネルギー貯蔵装置などのデバイスを構築するには、安価で入手しやすく、製造が容易な材料が必要です。従来はプラスチックがこの役割を果たしてきましたが、これらの非生分解性材料は環境中に何百年も残留し、生態系に有害です。

「現代では、プラスチックは至る所にあり、私たちが持ち歩くデバイスにも使われています。そして、デバイスの寿命が尽きたときに問題になります。生分解性がないからです。そこで、自然で生分解性のものを作れないかと考えました。」

– バルア

より安価で入手しやすく、電子デバイスへの加工が容易な代替品を探す目的で、研究者は自然に木材に注目しました。

最新の研究では、研究者は脱リグニン木材（DW）に生体適合性かつ生分解性のポリマーを浸透させ、透明木材（TW）を作製しました。これらの自然ポリマーは透明木材に柔軟性を付与しました。

同時に、銀ナノワイヤ（AgNWs）を組み込むことで、TWに電気伝導性が付与されました。研究者によれば、得られた改質木材（MW）は「光エレクトロニクス、エネルギー貯蔵、医療機器において大きな可能性を持つ」とのことです。

この革新的な材料は、スマートフォンの画面や省エネ窓などの製品において、プラスチックの環境に優しい代替品を提供することで産業を変革する可能性があります。その有望な特性から、今後3〜5年以内に商業的応用が期待されます。

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導電性を付与して透明木材の用途を拡大する 

透明木材は長年開発が進められてきましたが、依然としてプラスチック、特にエポキシ樹脂を使用して強化しています。そのため、バルアは木材を長期にわたり頑丈で安定させる自然素材を探さなければなりませんでした。

KSUと空気濾過メーカーPurafilの資金提供を受け、最新の研究でバルアはバルサ木を使用し、リグニンとヘミセルロースを除去しました。除去は真空チャンバーと、希釈漂白剤、苛性ソーダ（苛性ソーダの一種）、脱リグニン剤である硫酸ナトリウムなどの化学薬品を用いて行われました。

次に、孔を再充填するために、卵白と米エキスの混合液に浸漬しました。また、ジエチレンテトラミンという硬化剤を使用し、材料が透明性を保つようにしました。

研究者によれば、これらの試薬は少量しか使用されていないため、環境への危険性はほとんどありません。特にエポキシ樹脂と併用される硬化剤は毒性があり、適切に処理しなければ汚染の原因となります。最終的に、柔軟で耐久性のある半透明の木材スライスだけが残りました。

次のステップは、このエンジニアリング木材の潜在的な応用を探ることでした。調査された利用例の一つは、ガラス窓の代替でした。

バルアはまず、鳥の巣箱を窓が一つある小さな断熱住宅に改装しました。そのエネルギー効率をテストするため、巣箱を熱灯の下に置き、内部に温度計を設置しました。

透明木材を使用した結果、チームは小さな住宅内部の温度が、ガラス使用時に比べて摂氏5〜6度（華氏9〜11度）低いことを確認しました。これは、窓におけるエネルギー効率の高いガラス代替材としての有用性を示唆しています。

チームはさらに、いくつかのサンプルに銀ナノワイヤを添加し、透明木材の応用範囲を拡大しました。銀ナノワイヤの添加により、電気伝導性の低い木材が電気を通すようになり、この特性は太陽電池やウェアラブルセンサーのコーティングに有用です。

銀ナノワイヤはバクテリアなどの生物によって分解されませんが、チームは透明木材の自然性を保つために、導電性材料としてグラフェンを使用したさらなる実験を計画しています。

しかし、木材の透明性を向上させるにはさらなる研究が必要であり、作業はまだ完了していません。とはいえ、自然で低コストな材料を使用した初期成果にチームは興奮しています。

「数千ドルをかけずに、面白い研究ができるというメッセージを学部生に伝えたい。」 

– バルア

日本製紙株式会社

先進的な木質材料の開発でリーダーである日本製紙は、従来のプラスチックに代わる持続可能な代替品を模索しています。

同社の環境に優しい製品の一つに、アルミニウム不使用のFUJIPAKがあります。これは常温で長期間保存可能な飲料カートンで、バリア層にアルミニウムの代わりに紙板にバリアフィルムをコーティングした再生可能バイオマス素材を使用しています。ミルク飲料カートンと同様の回収ルートをたどることで、リサイクル率の向上が見込まれます。さらに、アルミニウムを除去することで、セルロース繊維回収後のポリエチレン処理が容易になります。

もう一つの製品はSchool POP®で、ストロー不要のカートンで日常生活における使い捨てプラスチックを削減します。日本製紙によれば、この製品は幼少期から環境意識を高めることができ、学校用ミルク向けに開発され、食品ロス防止に貢献します。

SPOPS®は日本製紙の別の製品で、シャンプーの「補充」を「交換」に置き換えます。同社によれば、SPOPS®を使用すると、ポンプを取り外し、カートリッジを交換し、ポンプを再装着するだけで、補充時間を最大75％短縮できるとされています。

主要素材として紙を使用することで、プラスチック使用量を25％から40％削減でき、“ユーザーフレンドリー”かつ“環境に優しい”製品となります。紙製品でありながら、SPOPS®は高濃度アルコールや界面活性剤など様々な液体に対応できる高い機能性を提供します。

数か月前、日本製紙は発表し、生活ブランドNOTRAC Inc.と提携し、“ECOJE”ブランドの下でSPOPS事業を韓国市場へ拡大することを明らかにしました。

さらに、SHIELDPLUS®というエコフレンドリーな包装素材があります。これは“紙作りの水性コーティング技術”を用いた100％木質素材、セルロースナノファイバー（CNF）であるCellenpia®、独自のパルプ成形性と様々な無機機能を持つMinerPa®、ラミネート不要で包装に使用できる熱シーラブル紙Lamina®、そして多機能段ボールベースの防水ライナーなどがあります。

日本製紙はリグニンメーカーでもあり、優れた特性を活かした製品を開発しています。リグニン製品は分散性、凝集防止、キレート特性に優れ、産業分野で広く利用されています。

これらの持続可能な取り組み以外にも、本社が日本にある日本製紙は、紙・パルプ、紙関連、木製品、建築関連などの複数セグメントで紙製品の製造・販売を行っています。

執筆時点で、同社の株価は7.96ドル、PERは3.75、売上高倍率は0.10で、配当利回りは0.95％です。

2025会計年度第3四半期において、日本製紙は報告し、売上高が1.3％増の8863億円（59億ドル）となりました。グラフィック紙の需要減少にもかかわらず、家庭用紙、ヘルスケア製品、化学品の売上が伸びたためです。営業利益も前年同期比9.2％増の111億円（7420万ドル）で、エネルギービジネスの好調が寄与しました。

日本製紙の国内紙・紙板製品の販売量は需要低迷により減少し、燃料価格が安定しているにもかかわらず利益も減少しました。これは人件費と物流コストの増加が原因です。

同社はまた、石巻工場での温室効果ガス（GHG）排出削減によりバイオマス製品の競争力を強化したと報告しています。大幅な削減は石炭ボイラーの停止と高効率黒液回収ボイラーの導入によるものです。

結論

エネルギー貯蔵やエレクトロニクスの分野では、安価で持続可能な材料が求められています。ご存知の通り、プラスチックは軽量で成形しやすく優れた絶縁体であるため高い価値がありますが、非生分解性であり、環境や健康に重大な問題をもたらします。

ここで、木材は自然で安価、持続可能かつ炭素固定効果のある解決策を提供します。研究者は木材を改良し、透明木材を実現することで、エレクトロニクスやエネルギー貯蔵向けの持続可能な材料への大きな一歩となりました。最新の研究では、卵白や米エキスといった自然素材を使用し、日常的な応用が期待できる最先端のイノベーションを示していますが、環境への負荷は増やさないことが前提です。

透明木材に関する研究が進み、実際の導入が進むことで、ハイテクかつ環境に配慮したエレクトロニクスやエネルギー貯蔵の未来を再定義できるでしょう。

参照研究:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). 高性能、完全バイオベース、光学的に透明な木材バイオコンポジット. Advanced Science. https://doi.org/10.1002/advs.202100559

2. Li, T., Zhai, Y., He, S., Gan, W., Wei, Z., Heidarinejad, M., Dalgo, D., Mi, R., Zhao, X., Song, J., Dai, J., Chen, C., Aili, A., Vellore, A., Martini, A., Yang, R., Srebric, J., Yin, X., & Hu, L. (2019). 放射冷却構造材料. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). 透明木材生産のライフサイクル評価：新興技術と戦略的スケールアップフレームワークの活用. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301