抗生物質は生分解性が低く、日常生活の中で薬物の取り扱いがよくないため、約80%以上の抗生物質が環境中に蓄積される。例えば、広範な抗生物質として、「塩化ビニル」は優れた抗菌性と低い副作用を持つために広く応用されているが、現在の多くの技術ではこのような抗生物質を同時に検出し分解することは難しい。
山東大学化学・化学工学院の劉鴻志教授の課題グループはこのほど、有機−無機ハイブリッドのシルセスキオキサン基近赤外多孔質ポリマーを製造し、この新材料は同時に塩化ビニル基の検出と分解の2つの機能を実現することができ、これは環境保護分野で潜在的な応用価値を示すことができる。
これらの成果は、米国化学学会傘下の「持続可能な化学と工学」誌に発表され、表紙記事に選ばれた。
新材料は分解抗生物質を同時に検出することができる
抗生物質は人類医学史上最も偉大な発見の一つであり、人類が細菌感染に対抗する能力を高めた。しかし、抗生物質の乱用は人類の健康を深刻に脅かし、環境を汚染している。環境中の抗生物質を効果的に検出し、除去する方法を探ることは現在の環境保護分野の研究の焦点となっているが、同時に難点の一つでもある。
汚水中の抗生物質やその他の有機汚染物を除去するために、科学者たちは凝集、膜濾過、吸着、化学酸化、生物分解などの各種方法を運用している。しかし、これらの方法は技術的難易度が高く、処理コストが高く、手順が煩雑で「二次汚染」が発生しやすいなどの弊害がある。
上述の弊害を克服するために、科学者たちはずっとより先進的な処理技術を探求して、例えば：光触媒技術、湿式酸化技術、超音波技術、超臨界酸化技術など。これらの技術の中で、光触媒技術は最も魅力的な技術の一つとされている。それは、光エネルギーを利用して汚染物を触媒分解し、新しい汚染物を導入せず、二次汚染がなく、しかも材料は何度も繰り返し利用できるからである。現在、劉鴻志教授の課題チームの研究成果は光触媒材料をさらに豊富にしている。
「この赤外半導体発光材料の励起帯は抗生物質の紫外吸収帯と重なり、内濾過効果により抗生物質の検出を実現することができる。同時に、この赤外半導体発光材料は水中で過酸素ラジカル（O 2-）と正孔（h+）を発生することができ、それらは抗生物質と作用することができ、さらに開環などの一連の反応を発生させ、最終的に抗生物質を分解して二酸化炭素と水を生成する」劉鴻志は言った。
多種の材料の優位性を一身に集める
現在、近赤外発光材料は、金属酸化物や半導体ナノ結晶などの無機材料に大別されているが、「価格が高く、加工や後修飾が難しい」ことが致命的な弱点である。金属錯体や染料などを含む有機材料は、発光機構に応じて有機近赤外蛍光材料と有機近赤外リン光材料に分けることができる。その中で、有機近赤外蛍光材料は比較的に高いモル消光/吸光係数と蛍光量子収率を有し、しかも分子構造は柔軟で調整しやすく、価格は安い。しかし、この材料には、熱安定性、力学的安定性、蛍光量子効率が低く、耐光漂白性が悪いなど、早急に解決すべき共通科学的問題がいくつか存在する。
無機近赤外材料の加工性と有機近赤外材料の安定性の問題を解決するために、科学者たちは有機−無機ハイブリッド近赤外材料の製造を始めた。すなわち、無機粒子を添加してドーピングすることにより、有機近赤外材料の欠点を克服する。例えば、シリカをドープした有機近赤外材料は、より高い輝度と光安定性を示すことができる。しかし、埋め込まれた有機近赤外分子はシリカマトリックスから漏れやすく、安定性が悪く、その応用を阻害している。
「分子設計により、超共役‘D−π−A−π−D’構造を有する有機半導体であるチオフェン架橋カルバゾピラン型有機近赤外分子を製造した」劉鴻志は記者に、「しかし、この有機近赤外分子の機械的強度と熱安定性が悪く、輝度が低く、光安定性が悪く、その応用を深刻に制約している。そのため、シルセスキオキサンを用いて化学改質を行い、有機−無機混成シルセスキオキサン基近赤外多孔質ポリマーを製造し、分子レベル複合を実現し、有機近赤外分子が存在する上述の問題を解決し、同時に物理ブレンドにおける有機染料の容量を解決したシリカマトリックスから漏れやすい問題。」
環境ガバナンスに新たな考え方を提供する
劉鴻志氏は、有機−無機混成シルセスキオキサン基近赤外多孔質重合体は予測可能な優れた総合性能と広範な応用見通しを持っていると考えている。「重金属イオン、ニトロ化合物、染料及び抗生物質などの微量汚染物質を無傷で迅速に検出することができる。また、このような材料は汚染物質に対する光分解を実現することができ、太陽光を直接利用して励起することができ、光源を加える必要がなく、効率的で簡潔で、発せられた近赤外光は生命体に無害で、環境にやさしく、循環的に使用することができ、環境管理に新しい構想を提供し、実際の応用を得ることが期待される」劉鴻志は言った。
しかし、技術は絶えず改善されて発展しており、「完璧」に見える材料にも瑕疵がある。
多くの水中汚染物を処理する方法の中で、光触媒技術は極めて優位であるが、現在関連する光触媒技術あるいは材料は依然としていくつかの問題が存在し、例えば材料の合成難易度が高く、コストが高く、光エネルギー利用率が低く、同時に異なるタイプの汚染物を分解することが困難である。そのため、劉鴻志氏は「高効率、緑色、回収可能な近赤外光材料を開発して汚染物質の検出と分解に用いることは重要な科学的価値があり、コンパクトで高効率、低コストの近赤外材料を得ることはその広範な応用を実現する重要な要素である」と述べた。彼は科学者と産業界に協力を強化し、材料構造-性能関係を明らかにした上で、新型近赤外発光材料を設計開発し、材料製造技術の研究を強化し、応用シーンを広げ、商業化応用の推進を加速させるよう呼びかけた。
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光触媒材料は汚染防止の潜在力が大きい
光触媒材料とは、光の作用下で光化学反応を起こすことができる半導体触媒材料の一種を指す。世界で光触媒材料として使用できるものは多く、二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウムなどの多種の酸化物、硫化物半導体が含まれる。初期、世界各国はかつて硫化カドミウムと酸化亜鉛を光触媒材料として多く使用していたが、両者の化学的性質が不安定であるため、光触媒と同時に光溶解が発生し、有害な金属イオンが溶出し、一定の生物毒性があるため、先進国ではすでにそれらを民用光触媒材料として使用することは少なく、一部の工業光触媒分野ではまだ使用されている。その後、二酸化チタンはその酸化能力が強く、触媒活性が高く、安定性が良いなどの優位性から光触媒研究の核心的地位にあった。
現在、多くの専門家はナノ酸化亜銅が光触媒による有機汚染物質の分解に優れた応用の見通しがあり、二酸化チタンに続く次世代の半導体光触媒になることが期待されている。ナノ酸化亜銅は化学的性質が比較的安定しており、日光の作用下で強い酸化能力を持っており、水中の有機汚染物を完全に酸化させて二酸化炭素と水を生成することができる。したがって、ナノ酸化亜銅は、各種染料廃水の深さ処理に比較的適している。研究者はすでにナノ酸化亜銅を用いてメチレンブルーを光触媒分解するなど、比較的に良い効果を得た。
