大型放射光施設 SPring-8

公開日

2025年07月25日

2025年7月25日
京都大学

・木材にマクロな変形を与えたときのミクロ・ナノ構造の変化の検出に世界で初めて成功した。
・木材の曲げで生じる引張・圧縮ひずみに伴うミクロクラック発生・細胞圧密がそれぞれ検出された。
・引張・圧縮ひずみに伴うセルロースミクロフィブリル^※1の間隔の増加・減少がそれぞれ検出された。

木材は、目に見える大きさから顕微鏡でしか見えないナノレベルまで、非常に複雑な階層的構造を持っています。この多様な構造が木材の強度や柔軟性といった機械的性質を決めています。木材を効率的に加工することに加え、優れた性能をもつ木質系材料を開発するためには、これらの構造が変形時にどのように変化するかを詳しく理解することが重要です。しかし、これまでの研究では、マクロな変形に伴うナノ～ミクロスケールの構造変化を同時に直接観察することが困難でした。
一方で、近年では放射光施設を利用したX線による散乱・回折測定(SAXS/WAXD)が材料科学分野で広く用いられており、木材の微細な構造解析にも利用されています。この技術ではオングストロームから数百ナノメートルオーダーの構造解析が可能であるとされてきました。しかし、SAXSやWAXDにはそれらの構造が集まってできたより大きなミクロンオーダーの構造までが全て影響します。近年、フィンランド・Aalto大学（現Jyväskylä大学）のPenttilä博士らは木材のSAXSのデータより構造情報を求める「WoodSASモデル」を提案し、このモデルが木材のナノ～ミクロ構造変化を適切に評価できることを明らかにしました。そこで、本研究では、SAXS/WAXD測定を木材が変形している最中に行い、SAXSのデータをWoodSASモデルで解析することで、マルチスケールな階層構造がどのように変化するかを明らかにすることを目的としました。

SPring-8のBL40B2ビームラインの高輝度X線を用いて、飽水状態^※3の木材に曲げ変形を与えながらSAXS/WAXD同時測定を行い（図1）、木材中のナノ～ミクロ構造のその場観察を行いました。そのために、水中で木材を曲げながらX線を通す特殊な治具を作製してSPring-8に持ち込みました。木材を曲げると、凸側（外側）は引っ張られて伸び、凹側（内側）は圧縮されて縮みます。得られたSAXSデータから引張と圧縮によって細胞の形状が変化することが示唆されました。また、SAXSデータをWoodSASモデルで解析することにより、細胞壁を構成するセルロースミクロフィブリルどうしの距離が引張によって増加し、圧縮によって減少することが示唆されました。さらに、圧縮による圧密化の際に細胞壁が折りたたまれることが示唆され、引張によって微小なクラックが生成することも示唆されました。一方、WAXDのデータから評価されるセルロース結晶の格子間隔や結晶サイズに大きな変化は認められませんでした。これらのことから、十分に水分を含んだ木材の変形は、主にセルロースミクロフィブリル周辺のマトリクス成分^※4が担うことが示唆されました。

本研究によって、木材が曲げられた際のナノ～ミクロスケールでの構造変化を世界で初めて詳細に検出できました。一方で、今回用いた解析モデルには木材の構造を反映しきれていない部分も残っています。今後、一層データを蓄積して新たなモデルを構築することで、検出精度を向上させるだけでなく未知の構造変化を明らかにしていくことが課題です。
この研究は、木材をナノ・ミクロスケールで制御する新技術につながる可能性があり、次世代の革新的な木材加工技術や新素材の開発への応用が期待されます。今後は、さらに多くの樹種や加工条件について構造変化を詳しく調べることで、木材利用の新たな可能性を広げていきます。

京都大学生存圏研究所のミッション4・生存圏科学研究およびJSPS科研費（課題番号25K02072）の支援を受けて実施されました。

【用語解説】