木質系製品産業におけるナノテクノロジー応用：包括的レビュー

概要

木質系産業はマレーシアにおける経済成長の主要な推進力の一つです。森林はさまざまなリグノセルロース材料の供給源として、木質系産業自体や多くの異なる応用分野で使用できる、非常に興味深い特徴を持つ持続可能で生分解性のあるナノサイズ材料を生産するために活用できる多くの未開発の可能性を秘めています。木質系製品部門は、既存製品の性能向上や、森林から新たな付加価値製品の創出のために、さまざまな容易に入手可能なナノ材料を利用することもできます。このレビューでは、木質系製品産業におけるナノテクノロジー応用の最近の発展を紹介します。

はじめに

ナノテクノロジーは、1〜100 nmの物質を操作する技術と定義されます。ナノテクノロジーは、科学と技術を組み合わせ、重要な機能、物理的および化学的特性を持つ新しい改良材料を開発することを目的とした学際的な分野です[1, 2]。このスケールの材料は、より高い次元の同じ物質と比較して独自の特性を持ちます[3]。この理由から、さまざまな分野でナノテクノロジーを通じた革新的な応用を探求できます。

ナノテクノロジーは技術のイネーブラーであるだけでなく、国家経済成長の推進力にもなり得ます。マレーシアの林産業は2019年に約225億リンギットの輸出価値を生み出しました[4]。マレーシアから輸出される木材製品には、製材、単板、合板、モールディングなどがあります。マレーシアの木質系産業は、ナノテクノロジーを十分に活用して自らの利益とする機会を持っています。特にマレーシアにおいて、ナノテクノロジーを木質系産業に適用する取り組みが支援され、注目されることが不可欠です。これにより既存の木材製品を多様化し付加価値を高め、最終的にこの分野の経済成長を促進することができます。

文明のために長年にわたり森林が果たしてきた不可欠な役割は否定できません。森林は、さまざまな製品の開発と利用のためのリグノセルロース材料の供給源となってきました。実際、木材製品は長い間、木材、家具、紙、その他多くの機能性材料の形で社会に存在してきました[5, 6]。林業部門、特に林産物や木質系製品におけるナノテクノロジーの活用は、すべての関連プレーヤーと利害関係者からの注目を必要とします。ナノテクノロジーの活用は、より強靭で、多機能かつ軽量な木質系製品をもたらす可能性があります[3]。パルプ・紙、木質複合材、木材塗料、木材防腐剤などの従来の林産物は、より広範で、またはより高度な用途を見つけるために、新たな付加価値製品へと拡張または変革できます[5]。

このレビュー論文では、木質系製品産業におけるナノテクノロジーの応用を大きく2つの[2]経路に分類できます：

1. 森林からナノ材料を創出する

   環境への懸念の高まりは、持続可能で生分解性のあるナノサイズ材料を導入する切実な必要性を引き起こしています。この新しい材料であるナノセルロースは、森林資源から安全かつ持続可能な方法で生産できます。森林からの豊富なリグノセルロース材料は、セルロースをナノセルロースに変換する関心の高まりを生み出しました。ナノセルロースは、分子レベルでのセルロースであり、高強度・高剛性、高比強度、電磁応答性、大きな比表面積などの優れた特徴を持ちます[5, 7,8,9]。この材料の優れた特性は、林産業そのものを超えた巨大な応用可能性を提供します。木質系製品分野では、パルプ・紙や木質複合材の補強剤、木材塗料のコーティング材として適用できます[10,11,12]。その汎用性により、ナノセルロースは非林産分野（電子機器、センサー、電池、食品、医薬品、化粧品など）のコンポーネント（基板、安定剤、電極）としても使用可能です[5, 13]。

2. 木質系製品にナノ材料を利用する

   ナノ材料は、既存の木質系製品の機能性を高めるために使用できます。例えば、木材塗料にナノ酸化亜鉛やナノ酸化チタンなどのナノ材料を使用すると、耐久性、耐火性、紫外線吸収の向上、吸水性の低減など、木材の機能性を高められます[14,15,16]。一方、木材防腐剤へのナノカプセル化の応用[17, 18]は、化学物質が木材の深部まで浸透することを保証し、過剰な溶出の問題を軽減することで[19]、木材への殺虫剤の含浸を改善できます。これにより、生物分解因子に対する処理木材の耐久性が向上します。

林業および林産物におけるナノテクノロジー応用に関するレビュー記事はいくつか発表されています[20, 21]。McCrank[21]の記事は林業分野におけるナノテクノロジー応用の全体像を概説し、Moonら[20]はナノインデンテーションについてより詳しく論じています。著者らの知る限り、木質系産業の選択された分野を特に網羅したこのトピックに関する出版物は限られています。このレビュー論文では、パルプ・紙、木質複合材、木材塗料、木材耐久性という選択された木質系分野におけるナノテクノロジー応用の最近の進展を紹介します。さらに、新世代のセルロースであるナノセルロースの木質系製品産業における潜在的な応用について、エネルギーやセンサーなどの分野でも紹介します。

応用

パルプ・紙

世界の紙・板紙の年間生産量は4億トンを超えています[22]。これは、現在のデジタル時代においても、コミュニティでの紙製品の継続的な使用が止まっていないことを示しています。しかし、需要の増加の大半はさまざまな包装製品向けです[23]。この増加は、オンラインショッピングへの消費者嗜好のシフトと、自宅で快適に買い物ができ、製品を安全に目的の受取人に届けられる電子商取引の拡大によって促進されている可能性があります。

紙は、一連の一次加工、処理、抄造、乾燥、塗工を経たリグノセルロース材料から作られます。抄造段階では、すべてのパルプと添加剤の混合が行われ、さまざまな最終製品に合わせて調整されます。ナノテクノロジーは、ナノ材料やナノ添加剤の形でパルプ・紙に応用されています。例えば、森林資源、すなわちリグノセルロース材料を活用して、ナノサイズのビルディングブロックであるナノセルロースを抽出し、独自の機械的強度、機能性、柔軟性を提供する補強ユニットとして利用できます[5]。この新世代のセルロースは、細胞壁の剥離によってナノフィブリルを得たり、ナノスケールで結晶性セルロースを抽出したりして生産されます。ナノセルロースは主に紙の強度を高めるために抄造に添加されます。製紙プロセスで使用されるその他のナノ材料には、ナノシリカ、ナノゼオライトなどがあります[22]。ナノ材料やナノ添加剤の導入は、紙製品の性能向上に役立ちます。

パルプ・紙産業で使用されている、または潜在的に使用可能な主要な添加剤について以下のセクションで説明します。

ナノセルロースを湿式/乾式強度剤として

ナノセルロースは、パルプ・紙分野において強度添加剤として広く研究されてきました[24, 25]。ナノセルロースは、その豊富さ、入手しやすさ、生分解性、低毒性、優れた機械的・光学的特性、大きな比表面積、再生可能性などの興味深い特性から、非常に大きな関心を集めています[5, 7]。ナノセルロースは実際にはナノスケール寸法のセルロースであり、木材パルプ、非木材植物、木材、農業残渣、バクテリアセルロース、ホヤなど、あらゆるリグノセルロース材料から分離・調製可能です。セルロースは、β-1,4結合したグルコース単位からなる直鎖化合物で、結晶領域と非晶領域を含みます。鉱酸を用いてセルロース鎖から非晶ドメインを除去するとナノ結晶セルロースが分離され、高せん断機械的作用による細胞壁剥離によってセルロース幅が縮小し、ナノフィブリル化セルロースが形成されます。これら2種類のナノセルロースが、パルプ・紙分野での製品向上のために最も研究されているナノ材料です。過去10年間、さまざまな植物資源からナノフィブリル化セルロース（NFC）とナノ結晶セルロース（NCC）の調製に多くの研究が集中してきました。図1は、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いたナノ結晶セルロースとナノフィブリル化セルロースの画像を示しています。

TEM画像：Acacia magium由来のNCC a 出典：Jasmani and Adnan [26]. Elsevierの許可を得て再現。針葉樹パルプ由来のNFC b 出典：Zhao et al. [27]. Elsevierの許可を得て再現

ナノセルロースの特性は、調製方法とセルロース源によって異なります。表1は、ナノフィブリル化セルロースとナノ結晶セルロースの形態と結晶性を示しています。

セルロースからナノセルロースへ

ナノフィブリル化セルロースは、多くの研究が報告されているように、抄造における最も研究されているナノ添加剤です[3, 25]。ナノフィブリル化セルロースは、繊維を選択的な高せん断機械処理にさらすことで調製されます。ナノフィブリル化セルロースの製造には多くの方法と方法の組み合わせがあります。ホモジナイゼーションとマイクロフルイダイゼーションは、ナノフィブリル化セルロース調製の一般的な技術で、繊維を高圧下で小さなノズルに通し、通常10〜15回の繰り返し通過を行います[32, 33]。この方法を単独で使用する場合、高エネルギー消費を必要とするため、TEMPO（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル）媒介酸化[34]、カルボキシメチル化、酵素[35, 36]などの化学薬品による前処理が通常、省エネのために必要です。この方法では、流体ストリームの高速度と力によって誘導される高せん断率の結果としてナノフィブリル化セルロースが生成されます。ナノフィブリル化セルロースを生成するもう一つの一般的な方法は、グラインディング法です。グラインディングマシンは静止および回転する砥石ディスクで構成されます。砥石によって生成されるせん断力が細胞壁繊維を個々のナノフィブリルに分解します。凝集による幅の広い分布を避けるため[37]、著者らはパルプ化と漂白プロセス後、原料を水中に保管することを推奨しています。これは、乾燥状態での水素結合ネットワークの形成を阻害するためです[37, 38]。超音波処理法もナノファイバー調製のために研究されています。超音波処理は、超音波からのキャビテーション高せん断力を生成し、繊維細胞構造を分解できます[39]。超音波技術は、よく分散した安定したナノファイバーを生成するとされています[3]。また、凍結粉砕も天然繊維をナノファイバーに変換するために適用できます。繊維を液体窒素で凍結させ、その後高せん断力を加えます。高せん断力が氷結晶に圧力を誘導し、細胞壁を破壊してマイクロフィブリルを放出させます[40,41,42,43]。

天然セルロースから抽出されるナノ結晶セルロースは、一般的に酸加水分解によって調製されます。TEMPO媒介酸化[44]やイオン液体[45]などの特定の化学薬品を用いる他の方法も、ナノセルロース調製のために研究されています。セルラーゼ酵素の適用も報告されています[46, 47]。

酸加水分解中、セルロースの重合度は急速に低下しますが、いわゆる平衡重合度と呼ばれる時点で安定します[48]。この挙動の理由は、非晶領域が酸によって急速に加水分解されるためかもしれません。加水分解が始まると、酸はその体積が大きく、容易にアクセス可能なグリコシド結合があるため、非晶領域を優先的に攻撃します[49]。容易にアクセス可能な結合を加水分解した後、さらなる加水分解はグルコース鎖の還元末端と結晶領域表面で、はるかに遅い速度で起こります[50]。酸加水分解は、酸の種類、酸濃度、温度、時間などの要因に影響されます[49, 51, 52]。酸濃度、加水分解時間、温度条件のいずれかの変更は、ナノ結晶セルロースの形態に影響を与えます。例えば、加水分解時間[53]と酸濃度[29]の両方を増加させると、より短いナノ結晶セルロースになりますが、高温ではセルロースがグルコースに完全変換されます[50, 54, 55]。

抄造へのナノセルロース添加は、紙の強度[56, 57]と密度[58,59,60]を増加させ、多孔性を低減[61]することで、より良い性能の紙をもたらします。ナノ構造化セルロースの添加は、叩解繊維を添加した場合と同様の紙特性をもたらします[3, 25]。理論的には、湿式および乾式強度剤の添加[24, 62]、機能化繊維の添加[63]、叩解[64]によって紙の強度を高められます。強化は繊維結合能力の向上によるものです[25]。Boufiら[25]は、ナノセルロースが繊維間のコネクタとして働き、結合面積が増加することで繊維間結合が生じるためではないかと提案しています。また、繊維内に作られる異なるネットワークによって結合能力が向上する可能性もあります。ナノセルロースのマイクロメートルオーダーの長さを考慮すると、隣接する繊維を接続するブリッジとして働き、より強力なネットワークを形成できます[25]。繊維とナノセルロースに帰属する相互結合ネットワークが紙の強度を高めます。

ナノ添加剤としてのナノセルロースは、内部結合を改善し、乾燥引張強度の増加、空気透過度と不透明度の低減、密度の向上をもたらします[3]。ナノスケール材料であるため、ナノセルロースは大きな比表面積を持ち、水素結合をより効果的に形成できます。乾燥強度向上とリテンション改善のためにウェットエンド添加剤として添加されます。乾燥強度添加剤として一般的に使用されるナノセルロースは、ナノフィブリル化セルロースの形態です。

NFCをパルプ配合に添加するためのさまざまな戦略があります。リテンション助剤とともに[24, 62, 65]またはなしで[58]直接添加したり、他のフィラーや長繊維と混合してからリテンション助剤を添加したりします[66, 67]。NFC添加後の引張強度増加は、添加量に関連します。叩解パルプと陽性デンプンで構成されるパルプ配合に3% NFCを添加したとき、引張強度が5%増加することが確認されました[24]。興味深いことに、パルプがあまり叩解されていない場合、効果がより顕著でした。例えば、サーモメカニカルパルプに6% NFCを添加すると、引張強度が100%以上増加しました。一方、よく叩解されたクラフトパルプに添加した場合、NFCの影響は小さかったです[65]。したがって、充填紙、メカニカルパルプ、古紙パルプにNFCを添加すると、引張強度の向上が期待できます。Hiiら[65]は、NFCがフィラーと繊維に吸着し、フィラーと繊維ネットワークをブリッジするという観察を報告しています。抄造におけるNFC使用の唯一の大きな欠点は、脱水が遅くなることです。脱水は抄造において非常に重要な役割を果たし、紙生産の効率に直接関係します。脱水時間が遅いほど、紙の生産も遅くなります。したがって、ナノファイバーの繊維表面への吸着を改善し、脱水を向上させるために、特定の用量でリテンション助剤を使用することが非常に重要です[24, 68]。

NFCは、乾燥強度添加剤であるデンプンと、叩解によって生成される微細繊維の中間的な特性を持ち、両方とも結合面積を増加させます[3]。これは、繊維表面に柔らかく薄い層を作り、乾燥時に繊維結合を増加させ、また繊維間の空隙や孔を埋めて結合面積を増加させることで達成されます[3]。

バリア特性向上のためのナノセルロースコーティング材

ナノセルロースは、優れたバリア特性を持つため、包装用紙のコーティング材としても使用できます。ナノセルロースをコーティング要素として使用する利点は、紙が作られた後に添加されるため、脱水問題がもはや問題にならないことです。ナノセルロース、特にナノフィブリル化セルロースの適用には、スプレー、バーコーティング、サイズプレス、ロールコーティングなど、さまざまなアプローチを採用できます。特にナノフィブリル化セルロースの適用は、酸素バリア性と耐油性を向上させることが報告されています[69]。一例では、ロッドコーターを使用して、未漂白紙で69,000から4.8、耐グリース紙で660から0.2 nm Pa⁻¹への空気透過度低減が観察されました[70]。SyverudとStenius[71]は、針葉樹パルプに0〜8%のNFCを様々な量で適用し、ナノフィブリルの増加による多孔性の低下により、バリア特性が6.5から360 nm Pa⁻¹ s⁻¹へと著しく向上することを発見しました。Hultら[72]は、NFCとシェラックの適用を紙と板紙で試み、空気透過度、酸素透過率、水蒸気透過率の低下をもたらし、バリア包装への可能性を示しました。

それだけでなく、特にナノフィブリル化セルロースは、独立した薄膜やナノペーパーに変換できます。このナノペーパーは、透明で柔軟なため、電子応用の基板として使用できます[73]。

特性改善のためのナノ材料リテンション剤

リテンション剤は、機能性化学薬品の紙への保持を改善するために抄造に添加されます。ナノゼオライト[74]やナノ酸化チタンなど、いくつかのナノ材料が紙製品でテストされています。ナノゼオライトは、紙産業で乾燥剤として湿気を吸収し、特殊紙に使用される場合はガス排出除去にも機能します。ナノゼオライトの空隙と孔からなる大きな比表面積が、このようなプロセスを助けます。ナノ酸化チタンを紙に添加すると、コントロールサンプルと比較してより優れた動的弾性率を持つ紙が形成されます[75]。

特性向上のためのナノフィラー効果

製紙産業でのフィラー使用は、フィラーが通常パルプ自体よりも安価であるため、主にコスト削減のためです。強度添加剤として研究されるほか、ナノセルロースをフィラーとして使用することもできます。ナノフィブリル化セルロースの添加により、木材パルプの量を減らし、フィラーの量を増やすことができ、生産コストを削減できます[76]。さらに、製造された紙は、低多孔性と高不透明度などの向上した特性を持ちます。2〜10%のナノフィブリル化セルロースをフィラーとして添加すると、50〜90%の強度増加が得られることも報告されています（Future Markets Inc. 2012）。ナノクレイは、ガス透過性を低減して紙の保存期間を延ばすために、抄造添加剤として使用できます。これは、ガスと水のバリアが食品や飲料の腐敗防止に重要な役割を果たす包装産業において不可欠です。

ナノ炭酸カルシウムは、光散乱を改善するフィラーとして使用されます。ナノ構造粒子を用いた改質沈殿炭酸カルシウムは、光散乱に良い影響を与えました[77]。沈殿炭酸カルシウムはケイ酸塩と硫化亜鉛ナノ粒子でコーティングされました。Wildら[78]は、ナノ粒子コーティングを実験室、パイロット、工場試験で使用した類似の研究を報告しています。研究では、ナノ粒子コーティングが良好な印刷品質、耐水性、寸法安定性をもたらすことが判明しました。ナノ酸化亜鉛を紙配合に添加すると、紙に抗菌性が付与されます。同時に、紙の明度、白色度、印刷適性などの光学的特性も、ナノ酸化亜鉛の添加により向上しました。ナノ酸化チタンは、β-シクロデキストリンと組み合わせて塗工紙で研究されています[79]。ナノ材料混合物が、ナノ酸化チタンのみで塗工された紙と比較して、キシレンに対するより優れた分解効果を持つことが判明しました。

特性改善のためのナノ材料サイジング剤

サイジング剤は、水/液体の浸透抵抗を改善し、紙を印刷と筆記に適したものにするために抄造に添加されます。ナノシリカの使用は、光学的特性を改善し、打ち抜きを最大30%削減できます。ナノシリカで塗工された紙は、無塗工紙と比較して、より優れた光学濃度、寸法安定性、印刷品質を生み出すことが判明しました[80,81,82]。

木質複合材

木材は、生分解性と再生可能性を持つ人類への自然の贈り物であり、多くの用途に使用できます。しかし、木材自体には、シロアリ攻撃などにより、繊細、非柔軟、非耐久といったいくつかの弱点があります。木質複合材の製造における木材繊維の利用には、低嵩密度、低熱安定性、吸湿傾向が高い、生物分解を受けやすいなど、独自の欠点があります。ナノテクノロジーは多くの科学分野で利用されており、木材や木質複合材を含む多くの材料の品質向上に使用できます。

補強材としてのナノセルロース

ナノセルロースをマトリックス材料の補強材として使用する原則は、多くの研究を導いてきました。ナノスケールのセルロースを添加することで、ナノコンポジットはマイクロコンポジットでは達成できない多くの面で優れた特性を持ちます[83]。これらのナノセルロース強化コンポジットは、従来のコンポジットに取って代わる可能性があります。NCCの適切な修飾により、優れた特性や物理的、化学的、生物学的、電子的特性が大幅に改善されたさまざまな機能性ナノ材料を開発できます。ナノコンポジットの特性は、マトリックス材料の特性、ナノセルロースの特性、マトリックス材料内でのナノセルロースの分散、フィラーとマトリックス材料の界面相互作用など、いくつかの要因に依存します[84]。

ナノセルロースをさまざまなタイプのマトリックス材料への補強材として使用することは広く研究されています。天然または合成ポリマーで構成され、ナノセルロースで強化されたポリマーナノコンポジットは、有望な材料クラスとして確立されています。これらのナノセルロース強化ポリマーを調製する際、機械的特性の改善が最も一般的な目的とされています[85,86,87]。石油由来ポリマーは一般的に熱可塑性と熱硬化性のタイプに分類されます。熱可塑性と熱硬化性ポリマーの違いは、長鎖分子を保持する結合にあり、前者は弱いファンデルワールス結合、後者は強い共有結合によって保持されています[88]。さまざまな熱硬化性樹脂がナノセルロースコンポジットへの使用について研究されてきました。例えば、エポキシ樹脂は、優れた接着特性、硬化後の良好な機械的特性（高弾性率、低クリープ、合理的な高温性能）のため、先進材料製品に利用されてきました。しかし、高度に架橋された構造のため、衝撃で容易に破壊される可能性があります[89]。機能化ナノセルロースを補強材として添加することで、エポキシベースのセルロースナノコンポジットの機械的特性が大幅に向上しました[90, 91]。氷テンプレート法（または凍結鋳造法）を組み合わせて、高多孔性ナノセルロースネットワークを調製し、バイオエポキシ樹脂の含浸用プレフォームとして使用する、エポキシ-セルロースナノファイバーコンポジットの配向構造を調製するアプローチが実施されました[92]。結果は、ナノコンポジットの弾性率と貯蔵弾性率が両試験方向で純粋なエポキシより優れ、縦方向で強度が向上したことを示しました。もう一つの最も一般的に使用される熱硬化性樹脂は不飽和ポリエステル（UP）です。ナノセルロース含有量45 vol%という、これまでの研究よりもはるかに高い含有量のナノ構造UPバイオコンポジットが成功裏に加工・特性評価されました[93]。ナノ構造化ナノセルロースネットワーク補強は、UPの弾性率と強度だけでなく、延性と靭性も強く改善します。図2は、疎水性ポリエステルであるポリ(3-ヒドロキシ酪酸-co-4-ヒドロキシ酪酸)（PHB）が、15 wt% NCCまたは15 wt% アセチル化NCCで強化された場合の破壊形態を、電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）で示しています。FE-SEM画像は、アセチル化NCCがNCCと比較してPHBに均質に分散していることを明確に示しています。この均質性が、補強材とポリマーマトリックス間の強い界面相互作用に寄与しています[94]。

FE-SEM画像：a PHB/NCC-15、b PHB/アセチル化NCC(II)-15、c PHB/アセチル化NCC(IV)-15ナノコンポジットの破壊形態。出典：Gan et al. [94]. ACSの許可を得て再現

表2は、PLA、PVA、デンプン、PU、PPなどの熱可塑性ポリマーへのナノセルロース組み込みを示しています。これらのナノコンポジットを開発するために利用されたプロセスには、溶媒交換、水分散、溶液鋳造、グラフト、コアバックフォーム射出成形、電気紡糸、凝固、熱圧縮、インサイチュアニオン環開重合反応などがあります。ほとんどの研究で、ナノコンポジットへのナノセルロース添加が、機械的特性（強度、剛性、クリープ抵抗、弾性）、熱安定性、バリア特性の改善、さらには使用されたナノコンポジットの成分に応じて抗菌性と抗酸化機能を示すことが報告されています。全体的な知見は、熱可塑性マトリックスへのナノセルロース補強に関して肯定的な結果を報告しており、より環境に優しく持続可能な複合材料の生産に関するさらなる研究を促進し、奨励しています。

天然ポリマーは自然界に通常存在し、抽出可能です。天然ポリマーは通常熱可塑性ではありませんが、わずかな例外があります。しかし、セルロース、リグニン、キチンなどのバイオマス資源由来の天然ポリマーに熱可塑性を引き起こす化学的・物理的修飾技術があります。環境意識の高まりとグリーン製品への需要の増加により、ナノセルロースで強化されたさまざまな天然ポリマーがバイオナノコンポジットの製造に使用されてきました。植物由来ナノセルロースを骨組織再生に使用した研究は非常に限られています。ある研究[113]では、（TEMPO）酸化ナノフィブリル化セルロース（TNFC）またはナノ結晶セルロース（NCC）とヒドロキシアパタイト（HA）を合成してナノコンポジットを調製したと報告しています。これらのコンポジットは、外側の致密皮質骨の範囲で、NCCベースのものよりも優れた圧縮強度、弾性率、破壊靭性を示しました。さらに、これらのコンポジットはヒト骨由来骨芽細胞に細胞毒性を誘発せず、むしろ生存率を向上させ、荷重支持用途における骨組織再生に有望です。

その他の使用される天然バイオポリマーには、アルギン酸ナトリウム、セルロース、タンパク質があり、生分解性、生体適合性、低毒性という特性を持ちます。例えば、アルギン酸ナトリウムは、組織工学、薬物送達、食品包装、医療応用など多くの分野で優れた生体材料として広く使用されてきました。しかし、機械的強度が低く、分解特性が制御不能であることが応用を制限しています。アルギン酸マトリックスへのナノセルロース組み込みによるナノコンポジットフィルムの開発により、これらの問題を克服するいくつかの試みが行われました。NFCをアルギン酸マトリックスに組み込むことで、耐水性と機械的特性が向上することが判明しました。さらに調査により、分散を促進する超音波処理により、TEMPO媒介酸化NCCがNFCと比較してアルギン酸バイオポリマーの補強により効率的であることが示されました。キチン、キトサン、大豆タンパク質分離物（SPI）、アマニガムマトリックスへのナノセルロース統合におけるバイオインスパイアード相乗補強戦略の類似概念が、高性能ナノコンポジットの構築への新たな道を開きます。

木質パネル特性向上のためのナノ粒子

木質複合材は一般的に、バインダーによって保持された木材要素の組み合わせを持つ幅広い製品として説明されます。木質複合材の利点として、異なる厚さ、グレード、サイズで特定の品質や性能要件に合わせて設計できることが挙げられます。木質複合材は、木材の自然な強度特性を活かして製造されます（場合によっては通常の木材よりも高い構造強度と安定性をもたらします）。一方、木質複合材には、無垢材と比較して製造により多くの一次エネルギーを必要とするという欠点もあります。したがって、木質複合材は水を吸収し、無垢材よりも湿度による反りが発生しやしいため、屋外使用には適していません。使用される接着剤は、完成品に有毒なホルムアルデヒドを放出します。ナノテクノロジーは、既存製品への需要の増加と、新しい用途で使用される新製品のために、木質複合材の品質向上に利用できます。

木材の主な欠点は、微生物による感受性と生分解性、および変動する含水率にさらされた際の寸法安定性の欠如です。これらは主に細胞壁の主要ポリマーとそれらの豊富な水酸基（OH）によるものです[114]。木材は本質的に吸湿性であり、木材による水分吸収は露出表面積に直接関係しています。無機ナノ粒子の木質複合材への添加は、複合材の抗菌特性を向上させることが報告されています。酸化亜鉛（ZnO）ナノ粒子は優れた抗菌活性を示します。これらのナノ粒子は、パーティクルボード製造前にメラミン尿素ホルムアルデヒド（MUF）接着剤に添加されました[115]。その結果、グラム陽性菌Staphylococcus aureus、グラム陰性菌Escherichia coli、カビAspergillus nigerとPenicillium brevicompactum、褐色腐朽菌Coniophora puteanaに対するパーティクルボードの生物抵抗性が向上しました。よく知られた殺菌添加剤である銀ナノ粒子も、パーティクルボードのメラミンラミネート表面に適用されたとき、同様の抗菌・防カビ効果を示しました[116]。ナノ酸化銅とアルカン界面活性剤の組み合わせも、処理された合板試験片の耐水性と耐シロアリ性を改善することが確認されました[117]。修飾デンプン系接着剤は、パーティクルボードの耐朽性を高める別の選択肢として検討されました。修飾PVA/オイルパームデンプンにナノ二酸化ケイ素（SiO₂）とホウ酸を添加したパーティクルボードは、天然デンプンで接着したパーティクルボードよりも耐朽性が高いことが判明しました[118]。ナノSiO₂とホウ酸をそれぞれ撥水剤と抗真菌剤として添加することで、最終的なパーティクルボードでの微生物の活動を防止しました。

木質複合パネルの製造は、ホットプレス時の樹脂硬化時間を短縮する方法を開発することで改善でき、生産速度の向上やボード全体の品質向上が可能です。熱伝達は、木質複合パネルのプレス時間に影響し、厚さ、プレス温度、閉鎖速度、マット水分分布によって変化します。ZnOナノ粒子の添加により、ホットプレス時のパーティクルボード中央部の熱伝達が増加し、樹脂硬化度が高まり、物理的・機械的特性が改善されました[119]。多壁カーボンナノチューブ（CNT）や酸化アルミニウム（Al₂O₃）などの高熱伝導性ナノ粒子も、中密度繊維板の熱的・機械的特性を向上させることが証明されました[120]。この研究では、活性炭ナノ粒子がボードの物理的・機械的特性に有意な影響を与えなかったものの、尿素ホルムアルデヒド（UF）の硬化を他の2つのナノフィラーよりも促進し、ホルムアルデヒド放出を低減する効果があったと報告されています。

木質複合材の製造において、接着剤は機械的特性、湿潤条件下での性能、環境への影響など、複合材の特性に影響を与える非常に重要な役割を果たします。尿素ホルムアルデヒド、メラミン尿素ホルムアルデヒド、フェノールホルムアルデヒドは、木質複合材産業で一般的に使用されています。ナノ粒子の利用により、接着剤の特性改善がもたらされました。多くの研究が、物理的・機械的性能が向上し、ホルムアルデヒド放出が低減されたナノ材料強化木質複合材の製造のために実施されてきました。ナノクレイは、樹脂マトリックスの優れたフィラーと補強材であり、強度、靭性、その他の特性を大幅に向上させます。速成植林由来の3樹種Cordia alliodora、Gmelina arborea、Vochysia ferrugineaで製造された合板に対する、ナノクレイ粒子を用いたUF接着剤の改質がMuñozとMoya[121]によって報告されました。ナノクレイ0.75%での樹脂ナノ改質により、ボードの破壊弾性率と弾性率が改善されたことが判明しました。ナノクレイ粒子をPF接着剤に使用する効果は、接着剤の接着線での機械的特性を大幅に向上させ、合板のマクロ接着強度の増加に寄与しました[122]。興味深いことに、遷移金属イオン修飾ベントナイト（TMI-BNT）ナノクレイが、インサイチュ挿入法により水素結合をブロックすることで、結晶性UF樹脂を非晶質ポリマーに変換するために使用されました[123]。これにより、接着強度が56.4%増加し、ホルムアルデヒド放出が48.3%減少しました。

木質複合材の物理的・機械的特性を改善するために使用されるその他のナノ粒子には、ナノウォラストナイト（NW）[124, 125]、ナノZnO[126]、ナノSiO₂、ナノAl₂O₃[127]、ナノ銀[128]、ナノセルロース（NCCとNFC）があります。NCCは接着剤のフィラーとして利用され、NFCは複合ボードの配合におけるバインダーとして適用されました。最近、セルロースのマイクロおよびナノファイバーの添加が樹脂特性に有利な効果を持つことが明らかになりました。調査に基づくと、固形樹脂100 gあたり10%の量でNCCを添加すると、合板の機械的特性が大幅に改善されることが判明しました[129]。一方、UF接着剤にNCCを添加した後のパーティクルボードの物理的特性は、滑らかな表面、パネルの密度と含水率に有意差がなく、高いナノセルロース含有量のみが厚み膨れで有意に高い値を示しました[130]。一方、NFCを接着材として製造されたパーティクルボードパネルは、低密度グレードの機械的特性において業界要件を満たすことが示されました[131]。高密度パーティクルボードでは、NFC添加比の増加と高圧力により内部結合特性が改善されると推定されました。釘と面取りネジの引き抜き強度も、NFC添加比とパネル密度の増加とともに増加することが判明しました[132, 133]。

木材塗料

森林は、木材および非木材林産物の生産のために主にまたは部分的に使用されます。非木材林産物には、竹、ラタン、薪、木炭、ダマー、ヤシなどがあります。高品質木材への需要は大きいですが、天然林からの木材供給は減少しています。その結果、木材の代替として非木材資源の探索が加速されています。急速な成長特性により、竹は最も重要な非木材林産物の一つとして開発されてきました。木材は天然の生物学的自己組織化高分子構造（セルロース、リグニン、ヘミセルロース）です。最も汎用性の高い材料の一つであり、数世紀にわたり建築物や構造物の形で使用されてきました。しかし、木材は、紫外線（UV）、水分、化学汚染物質、熱/寒冷の変化など、環境からの光酸化、化学酸化、熱分解、光分解反応などの激しい酸化劣化プロセスにさらされます[134]。竹のような非木材材料も、タンパク質、炭水化物、その他の栄養素が豊富な天然有機材料であり、カビ、虫食い、腐朽しやすいです。したがって、木材および非木材製品の最終製品は、従来、保護と美観向上のためのコーティング、防火と生物学的要因（菌類と昆虫）からの保護のための防腐剤などの添加剤を含みます。

コーティングは、基板表面に層を適用するプロセスです。木材表面に適用される一般的なコーティングの例には、ワニス、ラッカー、塗料があり、その目的は保護と装飾の両方です。コーティングの主要成分が、バインダー、顔料、溶剤、フィラー、添加剤などの基本特性を決定します[135]。各要素は木材表面に特定の特性をもたらします。バインダーは顔料の木材への付着に寄与し、保護層を形成します。顔料は色を提供し、不透明な表面層を形成します。溶剤はコーティング適用に必要な粘度を与え、フィラーの添加は色の強さとコーティングの光沢を変化させます。添加剤については、カビと腐朽を阻害し、乾燥プロセスを助け、付着特性を改善し、仕上げを制御します。しかし、コーティングには、柔軟性の限界、強度低下、コーティング層と基板間の不釣り合いな付着、劣った耐摩耗性、低耐久性などの弱点があります。

ナノコーティングはこれらの問題を解決する能力を持っています。ナノコーティングは、約<100 nmの厚さの薄い層を基板に堆積させ、特性の改善や新機能の付与を行うプロセスです。ナノコーティングは、ナノ材料だけでなく、基板の表面形状に影響を与えることなく極めて薄い層でコーティングすることで、より大きな材料にも使用できます。木材および木材製品へのナノコーティングの応用は、主に耐久性、機械的特性、耐火性、紫外線吸収の向上、吸水性の低減に焦点を当てています。ナノコーティングの機能性とエンドユーザー価値を高める一つのアプローチは、ナノ粒子の添加です[136]。これらのナノ粒子は、その形態により非常に大きな表面積対体積比を持ち、周囲と強く相互作用でき、ナノサイズにより透明性が維持されます。

耐久性向上のためのナノ添加剤

ナノコーティングは、ナノ粒子とナノデリバリーシステムを利用して製品の分子レベルで変化をもたらすことで、木材と非木材製品の耐久性を向上させることができます。コーティングの目的の一つは、菌類や細菌などのさまざまな微生物の増殖を防ぐことです。酸化亜鉛（ZnO）[137, 138]、酸化チタン[138, 139]、酸化セリウム（CeO₂）[140]などの金属酸化物のナノサイズ粒子は、強力な抗菌特性を示すことが報告されています。ナノ粒子の木材表面への直接堆積や、木材表面のナノ粒子による直接機能化に関する研究が行われてきました。ZnOナノ粒子は、ゾルゲル法で調製したZnOシード層に基づく簡単な低温湿式化学法により、竹材表面に成功裏に作製されました。その結果、処理された竹材はAspergillus niger V. Tiegh（A. niger）とPenicillium citrinum Thom（P. citrinum）に対してより良い耐性を示しましたが、Trichoderma viride Pers. ex Fr（T. viride）に対しては耐性が低かったです[141]。グラフェンも細菌増殖抑制の優れた能力を示します。したがって、還元グラフェン酸化物とナノZnOを、二段階の浸漬乾燥と水熱プロセスで竹ベース屋外材料にコーティングすることで、耐カビ性と抗菌活性が向上しました[142]。同様に、水熱プロセスを用いたナノ構造化ZnOも、木材表面を生物劣化から効果的に保護しました[143]。

ナノ結晶セルロース（NCC）と銀ナノ粒子（AgNPs）を組み込んだ水性ポリウレタン[144]塗料（WPU）が、木材ボードの抗菌特性向上に使用されました[145]。AgNPsは抗菌材料として知られていますが、調製プロセス中に容易に凝集します。したがって、NCCを導入してAgNPsのWPUや他の塗料とのブレンドと分散性を助けました。さらに、NCCはナノコンポジットの機械的特性を改善する優れた補強剤でもありました。ミニエマルジョン重合も、木材表面の黒変菌の増殖を制限するAgNPsを含むアクリルラテックス塗料の合成に使用されました[146]。商業用木質複合材（パーティクルボードと中密度繊維板）の処理中に適用されるアクリル塗料における銀と酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌効果の研究が行われました[147]。AgとZnOナノ粒子は、グラム陽性菌Staphylococcus aureusと比較して、グラム陰性菌Escherichia coliに対して部分的により効果的でした。

吸水性改善のためのナノ添加剤

木材が水や湿気に弱いことはよく知られています。これは、細胞壁構成ポリマーの親水性と毛細管多孔質構造によるものです。木材と水の相互作用は、木材の生物分解、寸法不安定性、加速された風化を引き起こします。木材の疎水性を改善するための従来の化学修飾が使用されていますが、木材への水のアクセスは依然として完全には阻止されていません[148]。さらに、処理プロセスで使用される化学薬品は危険である可能性があります。したがって、ナノテクノロジーは木材修飾と機能化の代替アプローチとして使用されています。ナノ粒子を高分子塗料に組み込むことで、木材表面の吸水性を改善します。ナノ粒子を塗料に統合するために、溶液ブレンドとインサイチュ添加の2つのアプローチが利用されます[149]。第一のアプローチ（溶液ブレンド）は、溶媒がポリマーと結合してから木材表面に分散される場合です。この物理的方法は、浸漬、刷毛塗り、スプレーで適用できます[150]。Wuら[151]は、ZnOナノ粒子とステアリン酸で改質した水性UVラッカー製品（WUV）を通じて、接触角158.4°までの超疎水性塗料をポプラ材表面に構築したと報告しています。WUVと比較して、ステアリン酸亜鉛/水性UVラッカー超疎水性塗料（ZnSt₂/WUV）の耐水性がより強く、環境に優しく簡単に超疎水性塗料を調製するのに有利でした。興味深いことに、TiO₂ナノ粒子を添加した水性ワニスを用いて、9種類の熱帯木材の仕上げを評価しました[152]。TiO₂ナノ粒子の組み込みにより吸水値が減少し、1年間の暴露後、TiO₂ナノ粒子を添加しないワニスは完全に劣化しましたが、改質ワニス膜は耐久しました。その他、リグニン被覆ナノ結晶セルロース（L-NCC）粒子/ポリビニルアルコール（PVA）複合塗料系[153]、UV光硬化型メタクリル-シロキサン-セルロース複合塗料[154]、Fe³⁺ドープSiO₂/TiO₂複合膜[155]、ポリジメチルシロキサン（PDMS）/シリカハイブリッド塗料系[156]など、成功裏に調製された超疎水性木材塗料の例があります。

第二のアプローチは、インサイチュ添加または化学プロセスで、モノマーに直接化合物を添加し、その後重合させます。ナノ粒子は、水熱法やゾルゲル堆積など、木材表面での化学反応によってインサイチュ合成されます。Gaoら[157]は、フルオロアルキルシランで修飾したAgNPsを用いて、超撥油性を持つ超疎水性導電性木材表面を調製する簡単で効果的な方法を適用しました。この多機能塗料は、特に自己清浄と医療用電子デバイスのさまざまな応用で商業化可能です。別の研究では、竹をZnOゾルで処理し、ZnOナノシートネットワークを水熱的に竹表面に成長させ、その後フルオロアルキルシランで修飾しました[158]。成功裏に処理された竹は、強固な超疎水性、模擬酸性雨に対する安定した撥水性、耐UV性、耐火性などの優れた特性を示しました。八デシルトリクロロシランでさらに修飾した水熱堆積アナターゼTiO₂ナノ粒子で調製された竹材でも、同様の優れた特性が得られました[159]。超疎水性木材表面は、ポリ電解質/TiO₂ナノ粒子多層の層別[160]組み立てとパーフルオロアルキルトリエトキシシラン（POTS）[161]による疎水性修飾、PDMSプレコート基板への水性パーフルオロアルキルメタクリル共重合体（PMC）/TiO2ナノコンポジットのスプレー塗布[162]、テトラブチルチタネート（Ti(OC₄H₉)₄、TBOT）とビニルトリエトキシシラン（CH₂CHSi(OC₂H₅)₃、VTES）を共前駆体として用いたワンステップ水熱プロセス[163]などのアプローチでも調製可能です。ソフトリソグラフィーに基づく蓮葉状SiO₂超疎水性竹表面の生物模倣的アプローチも成功裏に実施されました[122]。

機械的特性改善のためのナノ添加剤

有機ポリマーに統合された無機粒子は、木材塗料で機械的特性を向上させるために一般的に使用されます。フィラーとして、無機材料の剛性と硬度がポリマーのプロセス能力と効果的に組み合わされます。無機粒子をマイクロンサイズで適用すると、材料の柔軟性を低下させ、塗料系の透明性を低下させるなどの欠点があります[164]。無機粒子をナノサイズで利用すると、表面積と界面積の比率が増加し、その後原材料の特性に影響を与えます[165]。最近の研究では、ナノセルロースを再生可能な補強材として使用し、性能向上したバイオベースナノコンポジット塗料系を開発することが調査されています。ナノセルロースは、ポリマーマトリックスとの相性の問題から表面修飾されました。TEMPO酸化セルロースナノファイバーの添加により、WPU塗料の機械的特性が改善されました[144, 166]。非極性ポリマーマトリックスの場合[167]、ナノ結晶セルロースはアクリロイルクロリドまたは陽性界面活性剤による2つの方法で修飾されました[167]。NCC充填レベルを2%まで増加させると、硬度、弾性率、引張強度が増加しました。

ナノシリカは、機械的特性改善のために適用されるもう一つの一般的なナノ粒子です。ナノシリカの利点として、高硬度で、ポリマーマトリックスとの相性向上のために容易に化学修飾できることが挙げられます。Mengら[168]による最近の研究では、ゾルゲル法とチオール-エネ反応により、有機-無機共有結合架橋ネットワーク構造を持つヒマシ油ベース水性アクリレート（CWA）/SiO₂ハイブリッド塗料が調製されました。その結果、エマルジョンが良好な安定性を持つだけでなく、10 wt%のSiO₂で塗料の熱的・機械的特性が大幅に改善されました。ナノシリカ添加による機械的特性改善は、水性ニトロセルロース[169]やアクリレート[170]などの他の塗料系でも記述されています。

紫外線吸収改善のためのナノ添加剤

木材の光劣化プロセスは、太陽光にさらされた直後から始まり、その後木材表面の色変化と進行性の浸食が起こります。UV放射は、木材の高分子構造成分（リグニン、セルロース、ヘミセルロース）を光化学的に分解できます[171]。光劣化プロセスは通常、木材と木質材料の耐水性低下をもたらし、屋外暴露条件下でさらなる生物分解を引き起こします。太陽放射のUV成分による材料への激しい損傷は、光安定化技術、表面コーティング、またはUV放射に対してより耐性のある材料への置き換えによって防止できます[172]。ナノ粒子は、溶剤型、水性、UV塗料のUV耐性を改善し、木材表面を保護するために利用できます。UV遮蔽特性を持つ機能性コーティングを含むナノ粒子は、表面の透明性に影響を与えることなく、UVに対する高レベルの保護を提供します。ナノ粒子の小さなサイズは、大きな表面積対体積比により、天然材料と比較してUV遮蔽効果を大幅に高めます。

UV放射吸収性塗料の使用は、リグニンのUV光による分解を防止します。UV吸収剤として使用されるナノ粒子は、主にTiO₂とZnOです。Wallenhorstら[173]は、Zn/ZnOコーティングと追加のポリウレタンシーリングで構成されるシステムが、木材表面の光変色を強く抑制し、化学的に安定であることを報告しました。ベンゾトリアゾール（BTZ）とZnOナノ粒子の組み合わせが、アクリルベースの竹外装塗料のUV吸収剤として適用されました[174]。BTZ-ZnO塗料では、特に2:1比率の配合で強い相乗効果が検出されました。この塗料系は、光劣化に対する高い耐性を提供し、竹基板の光変色を効果的に抑制しました。ベンゾトリアゾール、HALS（ヒンダードアミン光安定剤）、ZnOナノ粒子の別の混合物を厚膜水性アクリル塗料に使用し、オーク材に適用したとき、UV保護表面改質において最も肯定的な効果をもたらしました[175]。ベンゾトリアゾール、HALS、TiO₂とZnOナノ粒子の両方の混合物は、UVと可視スペクトルによる木材の色安定化のための最も効果的な処理の一つとして確認されました。ルチルTiO₂とメチルトリメトキシシランとヘキサデシルトリメトキシシランの混合物で塗工された木材試料は、優れた耐候性と表面色変化および重量減少に対する改善された耐性を示したと報告されています[176]。TiO₂塗料も、散水なしのUV光照射下で木材の色安定性を明らかに向上させることが判明しました。しかし、TiO₂の光触媒活性により、隣接する木材表面が劣化しました[177]。

難燃性改善のためのナノ添加剤

木材と非木材製品の可燃性は利用を制限しており、火災安全性はさまざまな用途で主要な懸念事項です。固有の欠点を克服し、木材と非木材を安全に使用するには、難燃特性を真剣に検討する必要があります。ナノ粒子は最近、難燃特性の改善のためのナノコンポジット製造に使用されています。ナノ粒子の利用は、従来の難燃剤と単独または組み合わせて使用され、木材の着火性を低減させます。ナノ材料のナノサイズと大きな比表面積により、従来の化合物よりも低濃度でより効果的であり、これは産業的・経済的に大きな利点です。ナノ粒子の表面修飾は、より良い相溶性と均質な分散を達成するために必要です。TiO₂で塗工された木材は、無塗工試料と比較して木材の可燃性と火炎伝播を低減できることが判明しました[178]。ZnO-TiO₂層状二重ナノ構造が竹基板上で合成されました[179]。酸素指数が25.6%から30.2%に増加し、ZnO-TiO₂塗料で覆われたことで難燃特性の大幅な向上が明らかになりました。層状二重水酸化物[180]は、大量の熱を吸収し、可燃性ガスの濃度を希釈し、分解過程で有害な酸性ガスを吸収するため、優れた難燃剤です。Yaoら[180]は、ナノマグネシウムアルミニウム層状二重水酸化物（Mg-Al LDH）を竹にインサイチュワンステッププロセスで適用し、総発熱量と総発煙量が、Mg-Al LDHなしの試料と比較してそれぞれ33.3%と88.9%減少したことを発見しました。Wangら[181]は、ナノ亜鉛アルミニウム層状二重水酸化物（Zn-Al LDH）ナノ構造を木材に導入し、ピーク発熱率（PHRR）と総発煙量が、原始木材と比較してそれぞれ55%と47%減少したことを発見しました[181]。グラフェンなどのナノ構造炭素材料も、木材と木質複合材の表面防火のための効果的な難燃剤として使用される大きな可能性を持つことが証明されました[182]。

木材耐久性

木材は、建設、家具、美術品などさまざまな分野で使用される非常に汎用性の高い材料です[183,184,185]。木材は、高い強度重量比、環境に優しい特性、美観、生分解性などから建設材料として適用されます。残念ながら、木材は生物分解、特に腐朽菌と昆虫による攻撃に非常に敏感です[186, 187]。木材はまた、UV放射、火災、水分への曝露によっても影響を受けます[188]。水分は木材の反り、割れ、寸法不安定性を引き起こします。木材劣化は、美観と内部構造の両方に損傷を与えます。木材劣化は毎年計り知れない損失をもたらします。さらに、木材構造物上の腐朽菌の増殖は、長期間の屋内曝露後、アレルギー、呼吸器症状、喘息など、人間の健康問題を引き起こす可能性があります[189]。したがって、木材に関連する問題を単純に見過ごすことはできません。化学薬品による木材防腐は、木材を保護し、耐用年数を延ばす効果的な方法です。

過去数十年間、多くの化学防腐剤が開発され、木材を生物分解因子から保護するために使用されてきました[188, 190]。残念ながら、これらの化学防腐剤のほとんどは、土壌と生態系への蓄積により、人間、生物、環境に深刻な影響を及ぼす可能性があります[191]。クロム砒酸銅（CCA）は、1930年代半ばから広く使用されている化学防腐剤の一つで、木材を腐朽菌、シロアリ、穿孔性昆虫から効果的に保護します。しかし、CCAは人間と環境に有毒であることが示されました[192,193,194]。別の化学物質であるペンタクロロフェノール（PCP）も同様の問題に直面しています。人間の健康に有害と見なされたため、多くの国で生産と使用が禁止されました[195]。

これらの問題に対応して、安全で低公害と謳われる新しいシリーズの化学防腐剤が導入されています。これらの化学防腐剤は植物抽出物から得られたり、合成的に生産されたりし、植物生理活性化合物の特性を持っています。例えば、ピレトリン（Chrysanthemum cinerariifolium）から派生したピレトロイドは、強力な殺虫活性を持ち、現在では合成的に生産可能です。残念ながら、これらの化学物質は光と温度によって容易に分解され、効率スペクトルが狭いことが判明しました[196]。有機殺虫剤の他の制限として、それらのほとんどが有機溶媒に溶解し、水性木材防腐剤として処方できないことが挙げられます。したがって、スマートでインテリジェントな有機殺虫剤デリバリーシステムが不可欠です。スマートデリバリーシステムを通じて、殺生物剤を制御された標的的な方法で送達できます。これにより、人間と環境への危険性が軽減されます[17]。

ナノテクノロジー手法による木材処理は、生物分解因子と風化に対する木材耐久性を向上させることができます[14, 197, 198]。ナノ製品を木材に適用する主な利点は、木材構造の深部に浸透する独自の能力であり[14, 199]、長寿命につながる耐久性特性を改善します。一方、ナノ製品の完全な浸透と均一な分布も達成可能です[200]。現在、木材保護用の多くの既製ナノ製品（ナノ防腐剤）が市場に出回っていますが、一部はまだ研究開発段階にあります。一般的に、木材保護に使用されるナノ製品は、ナノカプセルとナノ材料の2タイプに分類できます。ナノカプセルは、ポリマーナノキャリアに封入された殺虫剤を指し、ナノ材料は木材に直接含浸可能なナノサイズ金属を指します[201]。

ナノカプセル化による殺生物剤特性の向上

殺虫剤をポリマーナノキャリアにカプセル化することは、木材への殺虫剤含浸を改善する有望なナノテクノロジー技術の一つです。この技術は、難溶性殺虫剤の溶解度を高め、殺虫剤を緩やかに放出するように設計されています[202]。カプセル化により、低溶解性殺虫剤が固体ポリマーナノ粒子に容易に分散できます。ポリマーは水に懸濁し、従来の水性処理で木材に適用できます[149]。カプセル化はまた、親水性有効成分を過剰な溶出から保護できます[19]。カプセルの小さな直径により、木材の細胞壁に容易に組み込まれ浸透し、処理木材の生物分解因子に対する耐久性を向上させます。この技術は殺生物剤を安全に送達できるだけでなく、殺生物剤の寿命を延ばし、木材への保護期間を延長します[203]。

殺虫剤のカプセル化はボトムアップアプローチです。ナノ沈殿[17, 204,205,206]、エマルジョン拡散[207]、二重乳化[208]（表3）など、いくつかの技術で実施できます。ポリマーナノキャリアとして使用される材料は、天然ポリマー、合成ポリマー、またはその組み合わせから派生できます[209]。例えば、天然ポリマーにはセルロース、デンプン、アルギン酸、シリカ、ハロイサイトが含まれます。合成ポリマーとして通常ポリマーナノキャリアに使用されるのは、ポリ(酢酸ビニル)、ポリ(メタクリル酸メチル)、ポリ(乳酸)などです（表3）。

Liuら[18, 216]による以前の研究では、テブコナゾールとクロロタロニルをポリビニルピリジンとポリビニルピリジン-共-スチレンに含浸法で成功裏にカプセル化しました。得られたカプセルの粒子サイズは100〜250 nmでした。カプセル懸濁液を、従来の加圧処理で米国産イエローパインとカバノキの辺材に含浸させました。処理木材を、褐色腐朽菌（Gloeophyllum trabeum）と白色腐朽菌（Trametes versicolour）に55日間曝露しました。結果は、両方の腐朽菌に対して優れた耐性を示しました。

Salmaら[17]は、ナノ沈殿法を用いてテブコナゾールをカプセル化しました。テブコナゾールを含むポリマーカプセルは、ゼラチンをメタクリル酸メチルでグラフトした両親媒性共重合体から調製され、コア/ポリマーシェル質量比に応じて200〜400 nmまたは10〜100 nmの直径サイズを持ちました。カプセル化テブコナゾールは、褐色腐朽菌に対して木材を保存できると報告されました。一方、Salmaら[17]によって開発された処方システムは柔軟で、ヒドロキシエチルメタクリレートなどの他のアクリルモノマーの共重合により容易に修正可能です。これは、テブコナゾール放出速度をオーダーメイドできることを示しています。しかし、このナノカプセルの欠点は、凝集しやすく、木材へのナノカプセル送達効率を低下させることです。

Canら[217]は、ナノ銀をポリスチレン-大豆共重合体に成功裏にカプセル化しました。彼らの研究では、ヨーロッパアカマツをカプセルで含浸させ、白色腐朽菌（Trametes versicolor）に対して試験しました。研究から得られた知見は、大豆油、ポリスチレン、ナノ銀が、ヨーロッパアカマツの耐朽性向上の相乗効果において重要な役割を果たしたことを示しています。

耐久性向上のための金属ナノ粒子含浸

金属ナノ粒子は、数十年前から生物分解因子と風化から木材を保護するために使用されてきました[197, 218, 219]。ナノ粒子は、主にサイズの縮小による高い比表面積対体積比、均一な粒子径分布、良好な安定性により、バルク形態より優れた特性を持ちます。非常に小さなサイズのため、ナノ粒子は木材の孔に深く均一に浸透し、木材を保護します[197, 220]。さらに、サイズと界面活性剤の添加により分散安定性が向上します[221]。分散安定性と小さな粒子サイズは、以下の側面を大幅に改善する可能性があります：（1）防腐剤浸透、（2）木材の処理性、（3）仕上げと塗料製品の安定性、（4）低粘度、（5）非溶出性[222, 223]。さらに、バインダーとの相溶性を高め、木材ポリマーとの親和性を増加させることができます[197, 224]。

金属ナノ粒子は、化学反応、機械処理、加熱、還流により金属の粒子サイズを変更することで調製できます。これまでに、多くのナノ粒子が木材保護に使用されてきました。主に銅、銀、ホウ素、亜鉛の金属ナノ粒子は、白色腐朽菌と褐色腐朽菌に対して良好な性能を示しましたが、カビに対しては効率が低かったです[219]。二酸化チタン（TiO₂）は、木材防腐剤として使用する良い可能性を持つもう一つのナノ粒子です。TiO₂の可能性は、その抗菌・抗真菌[14, 225]と耐UV特性[225, 226]に関連しています。しかし、TiO₂で処理された木材の研究はまだ予備的な調査段階です[14, 225]。表4は、木材防腐におけるTiO₂利用に関する研究を示しています。TiO₂の木材内分布はMohammadnia-Afrouziらによって研究されました（図3）。

ナノTiO₂木材処理試料の接線断面から撮影されたSEM画像：0%含水率（MC）/0.5%濃度（a1）、25% MC/0.5%濃度（A2）、0% MC/1%濃度（A3）、25% MC/1%濃度（A4）、0% MC/1.5%濃度（A5）、25% MC/1.5%濃度。出典：Afrouzi et al. [227]

銅は木材保護に不可欠な殺生物剤です。しかし、銅単独では銅耐性木材破壊菌から木材を保護できません。銅ナノ粒子は、銅ベースの新世代木材防腐剤です。従来の銅の代わりに銅ナノ粒子を使用すると、腐朽菌に対する木材の耐久性が向上することが示されました[230]。これは、クロムと砒素なしで木材を保護するために銅ナノ粒子が使用できることを示しています[230]。

Cristeaら[15]は、外装木材塗料へのZnOナノ粒子と銀ナノ粒子の添加効果を研究しました。研究の目的は、UV遮蔽を通じて耐久性と木材保護を改善することです。効率的なUV保護を提供するだけでなく、木材の硬度、付着強度、耐摩耗性、水蒸気拡散バリア効果などの機械的特性もわずかに改善されました。

ZnOナノ粒子と銀ナノ粒子の混合物は、木材をUV線などの風化問題から保護できました[231]。綿材の辺材を、満セル法で3種類の異なる濃度の混合物で含浸させました。試料を自然風化に曝露させました。処理木材試料の色変化を分光光度計で測定しました。ZnOナノ粒子単独で処理した木材を対照としました。その結果、ZnOナノ粒子と銀ナノ粒子の混合物で処理された木材が、各金属ナノ粒子単独で処理された試料と比較して最も色変化が小さいことが判明しました。

別の研究では、Mantanisら[197]が黒松材をZnO、ホウ酸亜鉛、酸化銅ナノ粒子で真空下で処理しました。アクリルエマルジョンを用いて金属ナノ粒子を木材構造に強制的に導入し、溶出を防ぎました。処理木材のカビ、腐朽菌、地下シロアリに対する耐久性を評価しました。結果は、ホウ酸亜鉛で処理された木材がカビをわずかに抑制し、他の金属ナノ粒子はカビを示さなかったことを示しました。Terziら[232]も、ZnOナノ粒子が木材試料でカビ増殖を示さなかったという類似の結果を報告しています。しかし、すべての金属ナノ粒子が白色腐朽菌とシロアリを有意に抑制しました。

別の研究では、金属ナノ粒子が木材の難燃特性を改善できることが示されています。Francĕsら[16]は、松単板に浸透したSiO₂、TiO₂、ZnO₂の効果を研究しました。3 wt%のSiO₂を使用した単板が、難燃性改善に最も効果的であると報告しました。

上記で議論したように、木材防腐分野におけるナノテクノロジーの顕著な利点があるにもかかわらず、木材保護用ナノカプセルと金属ナノ粒子の合成、加工、特性評価に関する根本的な理解はまだ改善が必要です。ナノカプセルまたは金属ナノ粒子の木材保護用設計と開発において考慮すべき最も興味深い特性は、表5にリストされています。

エネルギー分野におけるナノセルロースベース材料の可能性

エネルギーは、経済成長と発展と強い相関を持つ重要な資源です[233]。今日、主要なエネルギー源は化石燃料と水力発電であり、気候変動、地球温暖化、オゾン層破壊、汚染、温室効果ガス排出、生態系破壊などを引き起こすため、環境に非常に有害です[234,235,236]。世界の二酸化炭素（CO₂）排出量の約80%はエネルギー部門からのものであり、CO₂排出量の削減と、生命と健康への地球温暖化の影響を克服し、技術開発の加速のニーズに沿うために、持続可能な再生可能エネルギー資源を開発するための技術進歩が必要です[234, 237]。

環境影響を最小限に抑えるため、持続可能で低コスト、エネルギー効率の高い炭素ベース材料が、エネルギーデバイスの製造における一部の従来材料を置き換える可能性として探求されてきました。天然炭素ベース材料の一つはセルロースであり、エネルギーを含む多くの用途を持つ最も有望な天然高分子です[237]。

ナノテクノロジーは、クリーンでグリーンなエネルギーを創出する需要を満たす可能性と展望を持つ先進技術の一つです。この新材料をナノスケールで開発することは、新しい応用と現在のエネルギー技術との相互作用を可能にし、使用から供給、変換から貯蔵、送電から配電まで、エネルギー分野に革命をもたらします[238]。このナノテクノロジーを適応させることで、クリーンでグリーンなエネルギーの開発に高い影響を与え、環境と天然資源に利益をもたらします[239]。

Serranoら[234]とHutら[235]によると、エネルギー変換におけるナノテクノロジーの最も有望な応用は、主に太陽エネルギー、導電性材料、太陽水素、燃料電池、電池、発電、エネルギーデバイスに焦点を当てています。ナノ材料の構造的・形態的特性を理解することは、多くの応用における熟練度と持続可能性を得るために不可欠です。エネルギー生成におけるナノテクノロジーの最大の応用は、光起電力（PV）セルを用いた太陽エネルギーであり、変換効率の向上に焦点を当てています[233]。この太陽電池を用いた天然資源からのエネルギー消費は、化石燃料の使用を減らし、環境に優しくグリーンなエネルギーの創出に向けた汚染を減少させます[239]。さらに、太陽電池を用いたナノデバイスの開発は、既存材料の効率改善と製造コストの削減により、経済成長を促進する可能性があります[236]。

ナノテクノロジーは、環境改善、人類の問題解決、より効率的でコスト効果の高いエネルギー生産など、さまざまな応用で使用されてきました。例えば、製品製造時の汚染低減、競争力のあるコストでの太陽電池と燃料電池の生産、水素生産、地下水を汚染する有機化学物質の浄化、エネルギー自給、気候変動、疾病の問題克服、非再生可能エネルギー源への依存度低減などです[233, 235, 240]。

太陽エネルギーのためのナノセルロースベース材料

太陽エネルギーは世界のさまざまな地域で利用可能で、太陽から年間15,000倍のエネルギーを取得できます。このエネルギー源は、光起電力（PV）技術、太陽熱システム、人工光合成、受動的太陽技術、バイオマス技術など、さまざまな方法で利用でき、電気、蒸気、バイオ燃料の生産に使用されます[234, 235]。

将来、ナノテクノロジーはエネルギーの生産、貯蔵、輸送のための効果的で低コストなシステムの開発に貢献する可能性があります[235]。Serranoら[234]とHutら[235]によると、現在の光起電力（PV）市場は、シリコンウェーハベースの太陽電池（第一世代）と半導体材料の薄膜層（第二世代）に基づいています。太陽電池使用の現在の欠点は、主に従来型PVセルの高コストと低いエネルギー吸収効率（40%未満）による製造コストです[233]。

ナノセルロースは、再生可能性、生分解性、生体適合性、広範な修飾能力、適応性、汎用的な形態により、太陽エネルギーシステムでの使用に良い可能性を示しています[241, 242]。低コスト、柔軟、多孔質なセルロース基板を用いて太陽電池を製造できます。4 nmという低サイズのナノフィブリル化セルロース（NFC）は、太陽電池コンポーネントに使用する超薄紙の製造に優れた候補となり、エネルギーを貯蔵できます[235]。Klochkoら[243]は、バイオマスからのナノセルロースを用いて、生分解性エコフレンドリーな柔軟薄膜を開発し、熱電材料として使用しました。この薄膜は、太陽放射からの低品位廃熱を室温付近で電気に変換するために使用されました。

ナノセルロースベース導電性材料

導電性材料は、エネルギーデバイスの製造に必要な電流の流れを可能にします。導電性ポリマー、導電性炭素材料（カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラックなど）、さまざまな導電レベルの金属粒子など、多くの種類の導電性材料があります。これらの導電性材料はナノセルロースと組み合わせて新規コンポジットを形成できます。導電性ナノセルロースの製造プロセスは図2に示されています。ナノセルロースベース導電性ハイブリッドの製造プロセスには、2つの主要な戦略があります。一つはナノセルロース基板表面への導電性材料層のコーティング、もう一つは導電性材料をナノセルロース基板内部に混合してコンポジットを作る方法です[237]。導電性ポリマーは、優れた電気化学的性能、軽量、低コストのため、金属材料の代替となります。最も有望な導電性ポリマーの一つは、合成経路がシンプルで、導電率制御可能、高い比容量を持つポリアニリン（PANI）です[244]。

ナノセルロースベース導電性材料は、インサイチュ重合、ドーピング、コーティング、インクジェット印刷、インサイチュ堆積などのさまざまな方法で、スーパーキャパシタとエネルギー貯蔵デバイス応用のために開発されています[68, 244,245,246]。既存のスーパーキャパシタをナノコンポーネント添加により改質することで、より長い時間で大量のエネルギーを貯蔵する能力が向上しました[238]。

さらに、ナノセルロースベース複合膜電極は、導電性成分を用いたナノセルロースのインサイチュ重合により、シンプルなろ過ユニットで開発できます（図3）。よく混合された導電性材料/ナノセルロース複合膜は、液体がフィルターを通過した後にフィルター上に残り、空気乾燥した複合膜をフィルター膜から剥がして、スーパーキャパシタとしてさらに使用できます[244]。

エネルギー貯蔵のためのナノセルロース

ナノセルロースのエネルギー貯蔵応用への潜在的な適用は、最近大きな注目を集めています。これは、ナノスケール寸法、大きな表面積対体積比、豊富な水酸基を持つため、表面化学がコンポジット加工のために容易に修飾可能だからです。エネルギー貯蔵で最も重要な側面は、導電性と柔軟性を持つナノセルロースを開発することです。これは、ポリアニリンやポリピロールなどの導電性ポリマーを添加することで達成できます。例えば、ナノセルロース/ポリアニリン複合フィルムは、紙ベースセンサー、柔軟電極、導電性接着剤として広く使用されています[68, 247,248,249]。Razaqら[250]は、ナノセルロース/ポリピロールとカーボンフィラメントの複合体から電極を製造し、紙ベースエネルギー貯蔵デバイスに使用しました。Wangら[248]は、ナノセルロース/ポリピロール複合体を用いて開発されたデバイスが、高い充放電レート能力、高いセル容量、サイクル性能を提供することを報告しました。

リチウム電池とバナジウム電池のためのナノセルロースベース材料

スマートフォン、電気自動車、ノートパソコン、さらにはグリッドエネルギー貯蔵など、最近のフレキシブル携帯電子デバイスへの高い需要により、充電式リチウムイオン電池（LIB）[251]とスーパーキャパシタ[252]への需要が増加しています。LIBは、高エネルギー密度、中程度の出力密度、サイクル安定性により、電子デバイスの最も理想的なエネルギー貯蔵候補の一つです。LIBでは、電解質が陽極と陰極間のリチウムイオン（Li⁺）移動に重要です。有機液体電解質がLIBシステムで使用されますが、高毒性と可燃性により甚大な安全性懸念を引き起こす可能性があります。固体電解質は、明らかな低可燃性と低毒性の利点を示すため、注目されています[253, 254]。Janekら[255]によると、固体電解質は固体高分子電解質（SPE）と無機固体電解質（ISE）に分類されます。しかし、SPEは加工容易性と柔軟性の利点を提供します[255]。

Qinら[256]は、ポリエチレンオキシド（PEO）にナノフィブリル化エアロゲルとビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム塩（LiTFSI）を組み込んでSPEを開発しました。結果は、負に帯電したナノフィブリル化セルロースにより、SPEのイオン伝導度特性が大幅に向上したことを示しました。また、製造されたSPEが電気化学的に安定し、機械的に堅牢で、熱的に安定、かつ柔軟であり、フレキシブル電子デバイスでの使用が期待されることも証明されました。

Nairら[257]は、熱誘導重合法を用いて、高性能リチウム-硫黄電池用のナノセルロース含有複合高分子電解質を製造しました。複合高分子電解質は、優れたイオン伝導度、200°C以上の熱安定性、リチウムに対する安定した界面を示しました。電解質は、ナノセルロースがポリマーマトリックスに捕捉されることによるポリ硫化物の陽極への移動の大幅な減少に起因する安定したサイクルプロファイルも持ちます。

別の研究は、Zhangら[258]によって、バナジウムレドックスフロー電池（VRFB）用の、コア-シェルナノセルロースで強化されたスルホン化ポリ(エーテルサルフォン)を用いた堅牢なプロトン交換膜で実施されました。シリカ被覆ナノセルロースの組み込みにより、プロトン交換膜は54.5 MPaの優れた機械的強度と、100 mA cm⁻²で82%以上の高エネルギー効率を示し、200回の充放電サイクルで安定でした。プロトン交換膜はVRFBの主要コンポーネントの一つです。バナジウムイオンのクロスオーバーを防ぐセパレーターとして機能します。また、VRFBの高電圧効率に寄与するプロトン伝導体としても機能します[259]。

フレキシブルスーパーキャパシタのためのナノセルロースベース材料

スーパーキャパシタ、または電気化学的二重層キャパシタ、ウルトラキャパシタとしても知られる、世界中の研究者の注目を集めているもう一つの汎用的なエネルギー貯蔵システムです[260]。高出力密度、長寿命、シンプルな原理、低メンテナンス、携帯性、安定した性能、高速充放電により、スーパーキャパシタは電池と従来のキャパシタのギャップを埋めることができます[260]。これらの特性は、増大する電力需要を満たす有望なアプローチを提供します。

電極はスーパーキャパシタの非常に重要なコンポーネントです。特に高性能フレキシブルスーパーキャパシタを調製するには、優れた電気化学的性能と柔軟性が必要です。Himら[261]とZheら[262]は、グラフェンとナノセルロースがスーパーキャパシタのための優れたフレキシブル電極材料であることを発見しました。ナノセルロースは、優れた生分解性、機械的強度、柔軟性、化学反応性のため、基板材料として使用されてきました。ナノセルロースの多孔質構造と親水性は、繊維ネットワーク構造内でのグラフェンなどの他の材料の付着を促進します[263]。同時に、ナノセルロース表面の豊富な水酸基は、他のポリマーとの相互作用を可能にし、強力なコンポジットを形成します[264]。

Khosrozadehら[265]は、ナノセルロースベースポリアニリン/グラフェン/銀ナノワイヤ複合体を用いてスーパーキャパシタ電極を開発し、1.6 A/gの電流密度で2400サイクル適用後、出力密度、エネルギー密度、容量がそれぞれ108%、98%、84%を示し、電極が優れたサイクル安定性と良好な機械的柔軟性を持つことを示しました。一方、Maら[266]は、バクテリアセルロース/ポリピロールをグラフェンでコーティングした電極を開発しました。調製された電極は、あらゆる角度で曲げられる良好な機械的柔軟性を持ちます。対称スーパーキャパシタに組み立てたとき、面積容量とエネルギー密度はそれぞれ790 mF cm⁻²と0.11 mWh cm⁻²に達しました。ナノセルロース-グラフェン電極は、化学的架橋または物理的架橋法で製造できます[267, 268]。スーパーキャパシタの電極コンポーネントとしてのナノセルロースは、内部電解質貯蔵槽の役割も果たします。これは、ナノセルロースがイオン輸送の効果的な方法を提供できるためです。ナノセルロースの高多孔質構造と親水性により、電解質イオンの輸送が容易になります[261]。

電子デバイスのためのナノセルロースベースペーパー

ナノセルロースベースペーパーは、電子デバイスと光電子デバイスに使用できるグリーン基板です。現在、商業用紙は比較的粗い表面と弱い機械的特性を持ち、電子デバイス製造にとってかなり問題となる可能性があります[269]。ほとんどの電子デバイス製造では、プラスチック、ガラス、シリコーンなどの非生分解性・非リサイクル可能なコンポーネントが基板として使用されています[270]。NFCからのナノセルロースベースペーパー形成は、シンプルなろ過法により、機械的に強靭で低熱膨張係数の紙を生産でき、商業用紙の代替となります[6, 269]。LiとLee[270]によると、電子デバイス用透明ナノセルロースベースペーパーが設計され、エレクトロクロミック、タッチセンサー、太陽電池、トランジスタ、有機EL（OLED）、グラビア印刷プルーファー、無線周波数識別（RFID）に適用されています。

透明ナノセルロースペーパーの応用の一つは、コーティングや熱蒸着技術により基板表面に直接回路を印刷することで、フレキシブル電子材料を生産することです。まず、フレキシブル電子機器の製造は、シリコンナノメンブレン（Si NM）を放出してNFC基板に接着層で転写し、フォトレジストパターニングとドライエッチングステップでデバイスを完成させる特別なシリコンウェーハ上で構築されました（図4で説明）[271]。

ナノセルロースベース導電性ハイブリッドへの一般的な製造ルートの概略図。出典：Du et al. [237]. Elsevierの許可を得て再現

さらに、NFCは有機EL（OLED）の主要基板でもあります（図5）。Okahisaら[272]は、OLEDデバイスが木材ベースのナノフィブリル化セルロース（NFC）複合体上で製造されたと報告しています。

ナノセルロースベース複合膜の製造ろ過手順[スーパーキャパシタ（SC）]。出典：Hsu and Zhong [244]

センサー開発のためのナノセルロースベースコンポジットの可能性

ナノセルロースは、新規センサーの開発とセンサー感度の向上に広く使用されてきました。食品産業では、例えば、センサーが食品汚染物質による健康上の危険とリスクから人間を守る重要なツールとなっています。センサーは、食品中のマイコトキシン、病原体、重金属、殺虫剤、金属イオンなどを迅速に特定するのに役立ちます。さらに、センサー技術は、通常熟練人員を必要とする高価な装置を使用した複雑で労働集約的、時間のかかるプロセスを克服できます[273, 274]。センサーは、迅速で感度の高い食品安全検出も提供します。

過去10年間、電気化学センサー、バイオセンサー、化学センサーなど、多くのセンサーが迅速で感度の高い検出のための代替または補完的検出ツールとして成功裏に開発されてきました[275,276,277]。しかし、従来のセンサーはプラスチック、石油化学製品、無機材料を使用して開発され、環境問題を引き起こしていました。さらに、温室効果ガス排出、毒性、材料の持続可能性などの問題が増大しています。したがって、持続可能なセンサーデバイスへの需要が近年急速に増加しています。

植物とバクテリア由来のナノセルロースは、優れた物理的、熱的、機械的、光学的特性を持つため、高性能センサーデバイスの製造に重要であり、有望な可能性を示しています。これらの特性により、ナノセルロースはアナライトの検出におけるセンサーの選択性と感度を向上させるため、バイオ材料としてより好まれます。一方、ナノセルロースの付着特性は、固定化試薬の溶出問題を防ぎます。これにより、センサーの長期安定性が著しく向上します。さらに、ナノセルロース上の水酸基-OH基は、異なるアナライト種の選択的吸着のための結合サイトの組み込みに修飾可能です[278]。これらの特性の組み合わせにより、ナノ構造化ナノセルロース繊維が他の機能性材料との共役のための理想的なビルディングブロックとなります[248, 279, 280]（表6）。

バイオセンサーの開発

Kimら[286]は、酵母リパーゼをさまざまなセルロースナノ結晶に固定化しました。その結果、ナノセルロースに吸着した酵母リパーゼは、ミクロセルロースと比較して相対的に高いことが示されました。これは、ナノセルロースの大きな比表面積に関連し、ナノセルロース陰イオン基と酵母リパーゼのイオン相互作用を増加させるためです。この研究では、ナノセルロースに固定化された酵母リパーゼの半減期が、遊離形態と比較して27倍高くなったことが判明しました。さらに、酵素の安定性も向上しました（図6）。

NFC基板上のフレキシブル電子機器製造プロセス。出典：Sabo et al. [271]

別の研究グループ、Edwardsら[287]は、ヒト好中球エラスターゼ（HNE）とブタ膵エラスターゼ（PPE）として知られるエラスターゼのトリペプチドとテトラペプチド基質の動力学プロファイルを、エラスターゼバイオセンサー製造のために研究しました。HNEとPPEを開発するために、綿セルロースナノ結晶に固定化されたトリペプチドとテトラペプチドを使用しました。2 mgのトリペプチド共役綿セルロースナノ結晶を1時間で0.03 U mL⁻¹のPPEを検出でき、0.2 mLのテトラペプチド共役綿セルロースナノ結晶を15分で0.05 U mL⁻¹のHNE活性を検出できることが判明しました。Incaniら[288]は、ナノセルロース/ポリエチレンイミン（PEI）/金ナノ粒子（AuNPs）ナノコンポジットにグルコースオキシダーゼ（GOx）酵素を固定化してバイオセンサーを製造しました。AuNPsは陽性PEIとナノセルロースに吸着しました。フーリエ変換赤外（FTIR）スペクトルにより、GOxがポリマーコンポジットに成功裏に固定化されたことが確認されました（図7）。

フレキシブルディスプレイ（OLED）NFC基板上 a 出典：Okahisa et al. [272]. Elsevierの許可を得て再現。フレキシブル電子機器NFC基板上 b 出典：Sabo et al. [271]

Abd Mananら[289]は、ナノ結晶セルロース（NCC）/硫化カドミウム（CdS）量子ドット（QD）ナノコンポジットベースのバイオセンサーをフェノール測定用に成功裏に開発しました。NCCをセチルトリメチルアンモニウムブロミド（CTAB）陽性界面活性剤で修飾し、さらに3-メルカプトプロピオン酸（MPA）キャップCdS QDで装飾して、チロシナーゼ酵素（Tyr）固定化の足場としました。NCCとCTAB-NCCのTEM画像（図8a, b）は、NCCの凝集したウィスカ様構造が修飾によって影響を受けないことを示し、MPA QDは球形です（図8c）。CTAB-NCCナノ構造フィルムのFESEM画像（図8d）は、均質、均一、密な繊維構造が凝集していることを示し、CTAB-NCC/QDナノコンポジットフィルム（図8e）では、CdS QDが小さな白い点のように現れました。EDX分析は、炭素（C）、酸素（O）、硫黄（S）、カドミウム（Cd）の各元素の存在を示し、CdS QDがCTAB-NCCフィルムに成功裏に取り付けられたことを示しています。フェノールに対する試験結果は、バイオセンサーが5-40 µMの濃度範囲でフェノールに対して良好な直線性（R2 = 0.9904）を示し、感度と検出限界がそれぞれ0.078 µA/µMと0.082 µMであることを示しました。

TEM画像：a NCC、b CTAB-NCC、c MPA-QD、FESEMマイクログラフ：d CTAB-NCCナノ構造フィルム、e CTAB-NCC/QDナノコンポジットフィルム、f CTAB-NCCナノ構造フィルムのEDX分析、g CTAB-NCC/QDナノコンポジットフィルム（出典：Abd Manan et al. [289]）。Elsevierの許可を得て再現

食品産業では、センサーは食品の品質や鮮度を監視するために使用されます。Moradiら[290]は、魚の鮮度監視用のバクテリアセルロースナノファイバーベースのpHセンシングインジケーターを開発しました。ニンジンアントシアニンを指標として使用しました。製造されたセンサーは、2-11 pH範囲で赤から灰色まで広い色差を示しました。色変化は区別可能で、深いカーマイン色は鮮魚を示し、魅力的なピンク色はすぐに食べるのに最適な魚を示し、腐敗魚はゼリービーンブルーとカーキ色で示されます。

化学センサーの開発

ナノセルロースハイドロゲル構造は、硫黄と窒素共ドープグラフェン量子ドットを固定化し、ラッカーゼ酵素検出用の低コストセンサーとして以前使用されました[291]。ラッカーゼは多銅オキシダーゼ酵素ファミリーです。いくつかの芳香族化合物と脂肪族アミンの単電子酸化に関与します。したがって、通常脱色と着色製品に使用されます[292, 293]。したがって、商業製品におけるラッカーゼ活性の監視は大きな関心事です。この研究から、著者らは硫黄と窒素共ドープグラフェン量子ドットが静電相互作用により自己組織化されることを発見しました。

Fahamら[294]は、スマートフォンによる鉄Fe(II)と鉄キレート剤デフェロキサミン薬（DFO）の生体液中での比色検出用ナノセルロースベース比色アッセイキットの開発を説明しました。透明なバクテリアセルロースナノペーパーにクルクミンを埋め込み、比色アッセイキットとしました。アッセイキットは、尿、血液、唾液、血清などの生物学的流体中の鉄と鉄キレート剤デフェロキサミンの監視に使用されました。アッセイキットは、スマートフォン技術と容易に連携してFe(II)とDFOの比色監視が可能です。

電気化学センサーの開発

Burrsら[295]は、グラフェン-ナノセルロース複合体を用いて調製された導電性紙を使用し、病原性細菌検出のためのグルコースベース電気化学バイオセンサーを実証しました。パルス音響電極堆積法[296]により、グラフェン-セルロース複合体に白金を電極堆積させました。その後、キトサンハイドロゲルに封入されたグルコースオキシダーゼ（GO_x）でナノ白金を機能化し、導電性紙上にセンサーを製造しました。グルコースまたは病原性細菌に対する低検出限界で、電気化学バイオセンシングに非常に効率的であることが判明しました。

Ortolaniら[297]は、ナノセルロースと単層カーボンナノホーン（SWCNH）を用いて、グアニンとアデニン測定のための電気化学センシングデバイスを開発しました。ナノセルロースとSWCNHはともに大きな比表面積、良好な導電性、高多孔性、化学的安定性を持っています。調製されたセンサーは、グアニンとアデニンの同時測定に対して高感度と高い電気触媒活性を示しました。センサーはまた、より低い検出限界を示しました。Shalauddinら[298]による別の研究では、ハイブリッドナノセルロース/機能化多層カーボンナノチューブ（f-MWCNT）を電気化学センシング開発に使用しました。医薬品と生物学的流体サンプル中のジクロフェナクナトリウム測定用センサーが使用されました。ナノセルロースの-OH基の存在が、異なるアナライトのためのより多くの結合サイトを提供し、軸方向弾性率の再配置とf-MWCNTの組み込みを保証すると報告されました。

ナノ材料の毒性

ナノ材料がさまざまな産業分野に多くの良い可能性を提供する一方で、人間と環境への潜在的な危険性を単純に見過ごすことはできません[299]。安全性または毒性の問題は、さまざまな角度からの完全な研究によって対処する必要があります。ナノ毒性、またはナノ材料の毒性研究は、酸化ストレス、遺伝毒性、生態毒性などいくつかの領域に分類できます。人間では、毒性は肺、経口、経皮経路で発生する可能性があります。ナノ材料は、主に抽出または製造、取り扱い、使用、廃棄の際に人間に影響を与える可能性があります。酸化亜鉛（ZnO）や酸化ニッケル（NiO）などの無機ナノ粒子（NP）は、ナノセルロースなどの有機ナノ材料と比較してより毒性が高いと考えられています。消化された有機NPは、胃酸による消化の副産物が単純な糖であるため、毒性を誘発する可能性が低いですが、ナノセルロースの場合、ヒト腸内でセルロースを分解できる酵素がないため、セルロースは比較的速く腸を通過します。Ongら[300]によるスプラグドーリー系ラットを用いた90日間亜慢性毒性試験では、4%の食事性ナノフィブリル化セルロース摂取による全身毒性は観察されませんでした。同じ研究で、72週間にわたる30%の高濃度ナノフィブリル化セルロースでも有害影響は観察されませんでした。空気中に存在する場合、ナノ粒子は人間の健康に有害な影響を与える可能性があります[301]。多層カーボンナノチューブ（MWCNT）は、毒性影響で最も研究されているNPの一つかもしれません。この研究で、Poulsenら[302]は、太く長いだけでなく、細く短いMWCNTも遺伝毒性の可能性と長期的な炎症を誘発し、心血管疾患につながる可能性があることを発見しました。対照的に、アルビノラットでのNCC吸入毒性研究では、最大濃度0.26 mg/Lで4時間の期間において望ましくない影響は観察されませんでした[303]。細胞レベルでは、さまざまな細胞タイプでのNCC細胞毒性が研究され、ほとんどの研究が0.25 mg/L以下の濃度ではNCCがさまざまな哺乳類細胞に無毒であると結論付けましたが、0.5 mg/L以上の濃度では細胞毒性を示す可能性があります[304,305,306,307,308,309]。一次ナノ遺伝毒性とは、ナノ粒子またはその副産物がDNAを直接的または間接的に損傷する可能性を指します。二次遺伝毒性は、ナノ粒子によって引き起こされる攪乱への免疫系の相互作用によって引き起こされます。Akerlundら[310]の研究では、NiとNiOの無機NPがサイトカイン炎症を誘発し、ヒト肺上皮細胞で二次遺伝毒性を引き起こすことが示されました。しかし、この二次遺伝毒性を引き起こす要因を理解し、他のナノ粒子でも同様の結果が生じるかどうかを判断するには、さらなる調査が必要です。

木材塗料中のナノTiO₂は、陸生生物に対する低毒性が報告されており、生物蓄積は観察されませんでした[311]。CeO₂ナノ粒子またはセリアに関する別の研究では、Daphnia magna、Thamnocephalus platyurus、D. rerio胚において、それぞれ1000、5000、200 mg/Lの試験濃度で急性毒性は観察されませんでした。しかし、同じ研究では、P. subcapitataで有意な慢性毒性が観察され、10%影響濃度（EC10）が2.6〜5.4 mg/Lの間でした[312]。Pulido-Reyesら[313]は、Ce³⁺とCe⁴⁺の酸化還元サイクルが、支配的な環境条件に依存するナノセリアの独自の化学であると説明しました。ほとんどのセリウム酸化物NP研究では、表面Ce³⁺の量が毒性と相関し、リン酸塩（PO₄³⁻）などのアニオンでCe³⁺サイトをブロックすることで、反応性酸素種レベルを低減し、酸化ストレスを克服できると結論付けました。廃棄中および廃棄後、NPが土壌や水生環境で環境と相互作用する可能性があります。酸化ストレスまたは炭素ベースナノ粒子誘発毒性は、主に酸素バランスに影響を与えるため懸念されます。Wangら[314]は、NCCが0.1 mg/L以上の濃度で水生生物（Scenedesmus obliquus藻類、浮遊性甲殻類Daphnia magna、淡水魚幼生Danio rerio）に活性化酸化ストレスを示しました。NCCの形態、形状、濃度が寄与因子と考えられ、大規模使用時のナノセルロース生態毒性影響の評価を提案しています。環境への望ましくない影響を軽減する一つの方法は、処理中にNPを捕捉、保持、リサイクルするメカニズムを提供することです。磁性NP（例：マグネタイト）[315]や表面修飾がこの目的で使用できます。ほぼすべてのナノ粒子毒性研究が、生物学的マトリックス内での有機NP検出に適した分析技術とプロトコルの発見、および潜在的なNP生態系リスクを理解するためのメカニズム的・環境的調査のためのさらなる研究を推奨しています[301, 302, 310, 316]。

結論

木質系製品部門におけるナノテクノロジーの可能性は非常に大きいです。ナノテクノロジーは、木質系製品産業の状況を地域的および世界的に変える機会を提供します。森林自体が森林プランテーションを通じて、ナノセルロースと呼ばれる新世代のセルロースの創造に向けた持続可能な供給源を提供でき、さまざまな産業分野で無数の応用を提供できます。さらに、ナノセルロースは炭素ベース材料（カーボンナノチューブ、グラフェンなど）よりも安価で、環境に優しく、無数の製品のリサイクル性と性能を改善する可能性があります。例えば、ナノセルロースは紙の性能向上と製紙におけるパルプ使用量の削減に使用でき、コスト削減につながります。ナノセルロースはナノペーパーや薄膜にもでき、紙包装や電子機器などの分野で使用でき、非再生可能プラスチックの代替となります。ナノセルロースを木質複合材に使用すると、特定用途に合わせて調整可能な先進コンポジットの開発につながります。それらの強度特性と手頃な価格により、無垢材の必要性を減らす実行可能な解決策となります。木質系製品以外の産業分野も、エネルギーデバイスやセンサーなどでのナノセルロース使用から恩恵を受ける可能性があります。エネルギー貯蔵とエネルギー収集応用、およびセンサー向けのさまざまなナノセルロースベース製品が実験室レベルで開発されています。この興味深い発展を踏まえ、マレーシアはさまざまな熱帯リグノセルロース材料からのナノセルロース生産に着手しました。残念ながら、マレーシアでのナノセルロースの商業規模での応用はまだ存在しません。したがって、利害関係者、産業界、研究者などさまざまなプレーヤーの集団的、協調的、集中的な努力が必要です。ナノセルロースの利用を促進し、ナノセルロースが次の応用段階と商業化段階に進めることを確実にするためです。ナノセルロース以外のナノサイズ材料の使用も、すでにパルプ・紙、木質複合材、木材塗料、木材防腐剤を含む木質系製品分野に利益と利点をもたらしています。

データと材料の可用性

すべてのデータと材料は制限なく利用可能です。

略語

AgNPs:

銀ナノ粒子

Al₂O₃:

酸化アルミニウム

AuNPs:

金ナノ粒子

BTZ:

ベンゾトリアゾール

C:

炭素

CCA:

クロム砒酸銅

Cd:

カドミウム

CdS:

硫化カドミウム

CeO₂:

酸化セリウム

CH₂CHSi(OC₂H₅)₃:

ビニルトリエトキシシラン

CMC:

カルボキシメチルセルロース

CNT:

カーボンナノチューブ

CO₂:

二酸化炭素

CTAB:

セチルトリメチルアンモニウムブロミド

CTAB-NCC:

セチルトリメチルアンモニウムブロミド-ナノ結晶セルロース

CWA:

ヒマシ油ベース水性アクリレート

DFO:

デフェロキサミン薬

FESEM:

電界放出型走査電子顕微鏡

f-MWCNTs:

機能化多層カーボンナノチューブ

FTIR:

フーリエ変換赤外

GOx:

グルコースオキシダーゼ

HALS:

ヒンダードアミン光安定剤

HNE:

ヒト好中球エラスターゼ

ISE:

無機固体電解質

LDH:

層状二重水酸化物

LIBs:

リチウムイオン電池

LiTFSI:

ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム塩

L-NCC:

リグニン被覆ナノ結晶セルロース

MC:

含水率

Mg-Al LDH:

マグネシウム-アルミニウム層状二重水酸化物

MPA:

3-メルカプトプロピオン酸

MUF:

メラミン尿素ホルムアルデヒド

MWCNT:

多層カーボンナノチューブ

NCC:

ナノ結晶セルロース

NFC:

ナノフィブリル化セルロース

Ni:

ニッケル

NiO:

酸化ニッケル

NPs:

ナノ粒子

NW:

ナノウォラストナイト

O:

酸素

OH:

水酸基

OLEDs:

有機EL

PA:

ポリアミド

PCL:

ポリカプロラクトン

PCP:

ペンタクロロフェノール

PDMS:

ポリジメチルシロキサン

PE:

ポリエチレン

PEG:

ポリ(エチレングリコール)

PEO:

ポリエチレンオキシド

PHB:

ポリ(3-ヒドロキシ酪酸-co-4-ヒドロキシ酪酸)

PHRR:

ピーク発熱率

PLA:

ポリ乳酸

PMC:

パーフルオロアルキルメタクリル共重合体

PMMA:

ポリ(メタクリル酸メチル)

PO₄³⁻:

リン酸塩

POTS:

パーフルオロアルキルトリエトキシシラン

PP:

ポリプロピレン

PPE:

ブタ膵エラスターゼ

PPG:

プロピレングリコール

PS:

ポリスチレン

PSU:

ポリサルフォン

PU:

ポリウレタン

PV:

光起電力

QDs:

量子ドット

RFID:

無線周波数識別

S:

硫黄

SC:

スーパーキャパシタ

Si NMs:

シリコンナノメンブレン

SiO₂:

二酸化ケイ素

SPE:

固体高分子電解質

SPI:

大豆タンパク質分離物

SWCNH:

単層カーボンナノホーン

TBOT:

テトラブチルチタネート

TEM:

透過型電子顕微鏡

TEMPO:

2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル

Ti(OC4H9)4:

テトラブチルチタネート

TiO₂:

二酸化チタン

TMI-BNT:

遷移金属イオン修飾ベントナイト

TNFC:

TEMPO酸化ナノフィブリル化セルロース

Tyr:

チロシナーゼ

UF:

尿素ホルムアルデヒド

UP:

不飽和ポリエステル

UV:

紫外線

VRFBs:

バナジウムレドックスフロー電池

VTES:

ビニルトリエトキシシラン

WPU:

水性ポリウレタン塗料

WUV:

水性

Zn-Al LDH:

亜鉛-アルミニウム層状二重水酸化物

ZnO:

酸化亜鉛

ZnSt₂:

ステアリン酸亜鉛

ZnSt₂/WUV:

ステアリン酸亜鉛/水性UV