多摩六都科学館、総合科学研究機構(CROSS)、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の3者は8月28日、スライムの触感を科学的にアプローチして数値化し、植物由来の高分子「グアーガム」をホウ砂で架橋したスライムが、外力によって10m以上も伸びるという、従来のハイドロゲルにはない特性を持つことなどを明らかにしたと発表した。

同成果は、多摩六都科学館 理工グループの佐々木有美学芸員、CROSS 中性子科学センターの富永大輝博士、KEK 物質構造科学研究所の瀬戸秀紀名誉教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、「KEK レポート」にて公開された。

実は曖昧な「スライム」の定義 - 科学的な物性解明に着手

日本で一般的な「手作りスライム」は、洗濯糊(ポリビニルアルコール)にホウ砂を加えたもので、玩具や科学工作などに広く使われている。スライムはハイドロゲルの一種で、ぷにぷに、のびのび、どろどろといった独特の触感を持ち、子どもから大人まで幅広く親しまれている。

しかし、科学的には「スライム」という言葉に明確な定義はなく、その物理的性質も十分に解明されてこなかった。たとえば、やわらかさ1つをとっても、日常では水はやわらかく感じるが、高所から飛び込めば地面と変わらない硬さとなる。スライムも同様に、触り方や力の加え方によってやわらかさが変化する。こうした性質は、液体のように流れる粘性と、固体のように形を保つ弾性の両方を併せ持つ「粘弾性」と呼ばれ、研究チームは今回、スライムの物性を定量的に解明したという。

  • さまざまな振る舞いを見せるスライム

    さまざまな振る舞いを見せるスライム。力を加えて握ったり、液体のように流れ落ちたり、両側から延ばしたり、垂らして糸のようにしたり、広げたり、瞬間的に力を入れてちぎったりするなど、多様な性質を持つ様子がわかる。KEKレポート「超延伸性スライムの創成と物性」13ページ Figure 2.より(出所:KEKプレスリリースPDF)

これまではスライムの性質が感覚的に語られてきたため、今回の研究では、スライムのやわらかさや伸びやすさを科学的に定義し、数値化することが目指された。具体的には、物質の流動と変形を扱う学問分野であるレオロジーの手法や、物質の分子構造を原子レベルで解析するための核磁気共鳴装置などが評価に用いられ、物性の詳細の科学的な評価が行われた。

グアーガムをホウ砂で架橋したスライムは、外力によって10m以上伸びるという、従来のハイドロゲルにはない特性を持つことが確認され、このスライムは「超延伸性スライム(超延伸性ハイドロゲル)」として位置づけられた。超延伸性スライムは、グアーガムやポリビニルアルコールをベースに、ホウ砂、グリセリン、木工用ボンド、糖類、微粒子などを加えて作られており、これらの構成要素や配合比が粘弾性や延伸性に与える影響を多角的に評価し、物性発現の要因が探られた。

  • グアーガムスライムの材料配合バランスの違いによる状態の比較

    グアーガムスライムの材料配合バランスの違いによる状態の比較。KEKレポート「超延伸性スライムの創成と物性」24ページ Figure 14.より(出所:KEKプレスリリースPDF)

評価の結果、適量のグリセリンの添加は、スライムの柔軟性、弾力性、剥離性などを向上させることが判明した。さらに、木工用ボンドを加えると、スライムの粘弾性が低下し、再結合しやすくなることが核磁気共鳴装置による測定で明らかにされた。これにより、より滑らかでちぎれにくいスライムを実現できるようになったとする。

グリセリンと同様に、グルコースのような複数の水酸基を持つ糖類を加えることで、同様の物性改善が可能であることも確認された。また、木工用ボンドの代替としてガラスビーズなどの微粒子を加えることでも、延伸性が向上することも明らかにされた。

  • 木工用ボンドの添加量によるグアーガムスライムのずり速度依存性

    木工用ボンドの添加量によるグアーガムスライムのずり速度依存性。赤い線がボンドが6.5gのベストの量。黒い線はボンドが入っていないスライム。▲印の「G'の数値が下がる＝やわらかい」ことを表している。KEKレポート「超延伸性スライムの創成と物性」28ページ Figure 18.より(出所:KEKプレスリリースPDF)

スライムのようなハイドロゲルは、センサ、アクチュエータ、ソフトマシン、生体材料など、フレキシブルウェアやフレキシブルデバイスの分野において、幅広い応用が期待されている。今回使用されたグアーガムは、食品にも使用される安全性の高い天然物質であり、環境にも優しい素材であるため、研究チームは今後新たな機能性素材としての活用が期待されるとしている。