レオロジーって何に使えるの？ ー化学の視点からー
どうもたかおです。
はじめに
大学の化学科に属している方の中には、高分子レオロジーの講義を受ける方も少なくないと思います。レオロジーに基づくと物質は力学的応答の仕方で分類できて、高分子材料は粘弾性体に分類される、ということは化学を学ぶ学生ならよっぽどのことがない限り知っていることでしょう。
しかし、なぜレオロジーを学ぶ必要があるのかをイメージできる人は少ないと思います。上で述べたようにレオロジーは「力学」の側面を強く持っています。いうならば物理です。化学徒の中には数式も見たくないと思いながらレオロジーの講義を受けている人もいるでしょう*1。また、合成！とか素粒子物理！みたいな華やかさを持ち合わせない学問ですから、レオロジーそのものを面白い、と思って取り組む人も少ないと思います。正直「不思議な流動が起こります！」って言われたところで、「ふーん、で？」ってなりません？
ただそれがどう使えるか、というところをイメージ出来れば、レオロジーのことをより身近に思えるのではないでしょうか。
というわけで、今回は
- レオロジーという学問が持つ二つの側面について理解したうえで
- それがどのように役に立てられるか
というところを説明します。本記事を通して「レオロジーって、なんかいいじゃん」と思っていただけたらと思います。
二つのレオロジー
実を言うとレオロジーには、現象論的レオロジーと分子論的レオロジーと呼ばれる二つの立場があります。
それぞれに異なる目的があり、使い方が若干違います。
現象論的レオロジー
現象論的レオロジーは、モノの物性を評価する手法として使うレオロジーのことです。複雑な力学応答をする物質を、「もちもち」とか「ドロドロ」と言ったような定性的な表現でなくて、応力やひずみ、時間といった数値で評価することを目指しています。
例えば作った樹脂の硬さ、柔らかさや流れている時の動きを正しく測定し、適切なパラメータで評価することができれば、その性質を理解することができます。それに基づいて材料の選択や加工条件の選定、品質の管理ができると言うわけです。
分子論的レオロジー
分子論的レオロジーは、分子構造や微細構造と変形や力学的性質との関係を明らかにしようとするレオロジーのことです。
レオロジー的な性質を分子の動きで説明しようと言うわけですね。
世の中のものは分子でできていますし、モノに変形を加えるというのは中の分子に変形を加えるのと同義と言えます。したがって得られる力学的な応答もまた分子の動きに起因しますから、レオロジーを分子のダイナミクスで議論することができると言うわけです。
色んな大学でレオロジーの研究室があると思いますが、だいたい研究室でやっているレオロジーはこの立場で研究されています。
モノづくりへの応用
では化学に携わる人間、分子を作る研究者がレオロジーをやる意味とは何なのでしょうか。
特に高分子に顕著ですが、分子の構造とレオロジー的性質を結びつけて理解できるようになることだと私は考えます。どんなに性能の良い原料を作っても(例えば樹脂だと、耐熱性が高い！とか)まともに加工できなければ使えるモノになりません。化学構造のいいところは残しつつ、レオロジー的なパラメータを変えるべく、分子量や分子の分岐構造をチューンアップできるようになれば闇雲に検討しなくて済みます。また望ましい力学物性が出る材料になるように分子設計するということも原理上可能になります*2 。
ここでは高分子のみを例に挙げましたが、分散系である塗料や化粧品などにも同じことが言えるでしょう*3。モノの性質を表すパラメータの理解(現象論的な面)と、それがどう分子の構造と相関しているのか(分子論的な面)、両方をうまく使いこなせれば、上で言ったことができるのかなと考えます。
最後に
二通りのレオロジーとそれらが(特にモノづくりに)どう役に立つのかを説明しました。高分子はただ合成するだけでなくてそれを加工して使えるモノにしないといけません。塗料やコスメ、食品など触った感じが良いものを作るうえでも重要と考えます。求められた物性を発現するモノを作る一つの指針としてレオロジーを活用できれば、化学者として強い武器になるのではないでしょうか。
この文章を読んで、レオロジー頑張ろうかな？と思う人が1人でも増えればと思います。
こんなこと書いていますが当の本人はレオロジーの専門家でもなんでもありません。ただのレオロジー好きのヲタクが書いた文章です*4。ガチ勢の方が見ておられましたら、誤り等ご指摘いただければ幸いです。
では
