木材バイオ炭、軟鋼に匹敵する強度を達成：持続可能な構造材料への道筋

トロント大学の研究チームは、バイオマスを無酸素状態で加熱して生成される炭素質材料であるバイオ炭が、従来の環境修復材の役割を超え、構造材料としての大きな可能性を秘めているという画期的な発見を公表した。この研究成果は、2025年10月21日に学術誌『Biochar X』で発表され、材料科学と炭素の持続可能性が交差する新たな地平を示している。

研究の核心は、木材の持つ自然な階層構造を保持したまま加工することにより、バイオ炭が軟鋼に匹敵する機械的特性を発現できる点にある。研究を主導したトロント大学グリーン・テクノロジー研究所のチャールズ Q. ジャー教授は、この発見がバイオ炭を単なる環境資材ではなく、構造体としての資質を持つことを明確に示唆していると述べた。研究チームは、カエデ、マツ、竹、アフリカンアイアンウッドを含む7種の木材由来のバイオ炭を分析し、600度から1,000度の範囲で熱処理を実施した。

特に注目すべき結果として、アフリカンアイアンウッド由来のバイオ炭は、軸方向の硬度が2.25ギガパスカルに達し、これは軟鋼の硬度に匹敵する値であった。さらに、ヘムロックのバイオ炭では、軸方向の硬度が横方向の硬度を28.5倍も上回る極端な異方性が観測された。高度な分析の結果、この顕著な方向依存性は炭素材料そのものではなく、木材が元来持つ階層的な細孔ネットワークに起因することが判明した。この構造的特徴の理解は、設計意図に応じた材料特性の予測と制御を可能にする。

ジャー教授に加え、秦義氏、季雅婷氏、モハナ M. スリドララン氏、郎立忠氏、鄒宇氏、ドナルド W. カーク氏らが本研究に貢献した。この研究は、バイオ炭の利用分野を土壌改良や汚染浄化といった従来の環境分野から、高強度電極、軽量複合材、流れを制御するフィルターといった工学分野へと大きく転換させるものである。また、外部の知見によれば、バイオ炭を建材としてコンクリートに添加することで、建材内に大気中の二酸化炭素を貯留する効果も期待されており、温室効果ガス排出削減への貢献も指摘されている。

熱分解の条件、特に温度と原料の選択によって、バイオ炭の硬度、嵩密度、炭素含有量との間に強い相関関係が見出されており、原料選定と熱分解条件の調整による性能の微調整が可能であることが示された。この研究が提供する定量的枠組みは、予測可能な機械的挙動を持つ均質なバイオ炭を設計するための基盤を初めて確立し、持続可能な未来の工学材料としてのバイオ炭の地位を確固たるものにするだろう。