自己修復材料とは？ 

自己修復材料とは？ 

素材に傷が入ったら修理するのが当たり前だった時代から、材料自身が傷を癒す時代へ——。自己修復材料は、損傷を受けても自ら修復する能力を持つ革新的な素材として、持続可能な未来への道を拓きつつあります。本記事では、自己修復材料の基本から応用まで、世界最高水準の解像度で徹底解説します。

自己修復材料とは

自己修復材料（Self-healing Materials） とは、損傷を受けた際に外部からの介入なしに、あるいは最小限の処置で自ら修復する能力を持つ革新的な素材です。これらの材料は、生物の傷の治癒能力にヒントを得て開発されました。

自己修復材料の定義について、公式に統一された見解はまだありませんが、一般的には「損傷が生じても自ら修復する、あるいは簡易な処理を施すことで修復される材料」とされています。「自己修復材料」と「自己治癒材料」という用語が混在して使用されていますが、本質的には同じものを指しています1。

自己修復材料の最大の特徴は、想定以上の負荷を受けて損傷が発生したとしても、材料自身がその損傷を自発的に治癒して無害化できることです2。この特性により、材料の寿命延長、メンテナンスコストの削減、安全性の向上などが期待されています。

なぜ今、自己修復材料が注目されているのか

自己修復材料が注目される背景には、以下のような要因があります：

1. 持続可能性への意識の高まり：自己修復材料は製品寿命を延長し、資源の使用量を減らすことで、持続可能な社会の実現に貢献します。

2. メンテナンスコストの削減：定期的な修理や交換の必要性が減ることで、長期的なコスト削減につながります。

3. 宇宙開発や深海探査など極限環境での需要：人が容易に近づけない場所で使用される材料には、自己修復能力が特に求められています3。

4. 市場の急成長：世界の自己修復材料市場は2021年に12億5,000万米ドルと評価され、2030年までに96億7,000万米ドルに達すると予測されており、年平均成長率（CAGR）25.52%という驚異的な成長が見込まれています12。

自己修復材料の基本概念と分類

修復のメカニズム

自己修復材料の修復メカニズムは、大きく以下の3つに分類されます：

1. 物理的自己修復

物理的自己修復は、材料の物理的特性（弾性や粘性など）を利用して修復が行われるメカニズムです。例えば、株式会社トクシキの自己修復塗料「Selheal（セルヒール）」は、塗膜面についた傷が弾性膜の凹みとなり、塗膜内に分散した応力が弾性エネルギーに変換されて復元力で元の状態に戻ります4。

2. 化学的自己修復

化学的自己修復は、損傷部位で化学反応が起こることで修復が行われるメカニズムです。このアプローチには主に以下の方法があります：

• 動的共有結合：特定の環境下で解離・結合の平衡状態となる動的な共有結合を利用する方法です。この方法では、理論上は分子レベルでの修復が可能で、修復回数に制限がないという利点があります10。

• マイクロカプセル法：修復剤を内包したマイクロカプセル（MC）を材料中に分散させ、クラックが発生した際にカプセルが破壊されて修復剤が放出される方法です。放出された修復剤は毛細管現象によりクラック面を流れ、触媒と反応して硬化し、亀裂を修復します9。

3. 生物学的自己修復

生物学的自己修復は、生物（主にバクテリア）の活動を利用して修復を行うメカニズムです。例えば、コンクリートにバクテリアを封入し、クラックが発生すると水と酸素によりバクテリアが活性化して炭酸カルシウムを生成し、亀裂を修復する技術が開発されています19。

材料による分類

自己修復材料は、使用される材料の種類によって以下のように分類されます：

1. ポリマー系自己修復材料

ポリマー系（高分子）自己修復材料は、分子鎖の再結合や相互作用を利用して修復が行われます。東京大学の研究によれば、分子間の結合を、結合と切断を行き来できる「動的共有結合」や「分子間相互作用」に置き換えることで、切れた結合が復活し、材料が自己修復する機能を持たせることができます18。

ポリマー系自己修復材料の例としては、以下のようなものがあります：

• 自己修復コート剤

• 自己修復樹脂

• 自己修復エラストマー（ゴム状材料）

2. 金属系自己修復材料

金属系自己修復材料は、金属の結晶構造の再形成や金属ナノ粒子の移動などにより修復が行われます。まだ研究段階のものが多いですが、早稲田大学の岩瀬英治教授は金属ナノ粒子の電界トラップを用いた自己修復金属配線を研究しています19。

3. セラミック系自己修復材料

セラミック系自己修復材料は、セラミックス特有の高温での焼結や化学反応を利用して修復が行われます。横浜国立大学の中尾航教授の研究グループは、世界中で開発されている自己治癒材料の中でも唯一、完全強度回復を達成できる自己治癒セラミックスを開発しています7。

4. コンクリート系自己修復材料

コンクリート系自己修復材料は、バクテリアの代謝や特殊な添加剤による化学反応を利用して、コンクリートのひび割れを修復します。例えば、Basilisk（バジリスク）社の「MR3 自己治癒型補修モルタル」は、バクテリアの代謝による自己治癒機能を持つモルタルタイプのひび割れ補修材料です6。

5. ガラス系自己修復材料

ガラス系自己修復材料は、ガラスの流動性や特殊な添加剤による効果を利用して修復が行われます。東京大学の相田卓三教授らは、ポリエーテルチオ尿素という高分子材料を使った自己修復機能を有するガラスを開発しています19。

自己修復材料の開発動向

材料別の最新研究開発状況

ポリマー系自己修復材料の進展

ポリマー系自己修復材料の研究は非常に活発で、さまざまなメカニズムに基づく材料が開発されています。

動的共有結合を利用した自己修復は、特に注目される研究分野です。今任景一氏らの研究によれば、動的共有結合化学に基づく高分子材料の自己修復では、特定の環境下で解離・結合の平衡状態となる動的共有結合を高分子材料中に組み込み、この結合の組み換え反応によって修復が進行します。これにより、分子レベルでの修復が可能となり、理論上は修復回数に制限がないという大きな利点があります10。

超分子的相互作用を利用した自己修復も重要な研究分野です。早稲田大学の土戸優志講師らは、超分子的な分子間相互作用に注目した研究を行っています。超分子とは、非常に弱い力が分子同士の間に働いて形成される分子の複合体で、簡単に、素早く分子同士が結合したり、離れたりすることができます。この特性を利用することで、材料が破損して分子同士の結合が切れても、再び結合して材料が修復される仕組みを実現しています3。

また、マイクロカプセル化技術も自己修復ポリマーの重要な開発分野です。この技術では、修復剤を内包したマイクロカプセルを材料中に分散させ、損傷が発生するとカプセルが破壊されて修復剤が放出され、修復が行われます。鹿児島大学の研究グループは、修復剤を内包したマイクロカプセルと熱による変質が起こりにくい金属触媒の組み合わせによって、長期安定性に優れた自己修復性材料の開発に成功しています17。

理化学研究所は2024年1月、タフな蛍光性自己修復材料の開発に成功したと発表しました。これは発光特性を持つ自己修復性材料で、損傷を検知するセンサーとしての機能も備えています16。

セラミック系自己修復材料の進展

セラミック系自己修復材料では、横浜国立大学の中尾航教授の研究グループが注目されます。彼らが開発した自己治癒セラミックスは、世界中で開発されている自己治癒材料の中でも唯一、完全強度回復を達成することができる材料です。この特性により、部材の構造健全性を積極的に確保することができ、既存の材料とは一線を画した高い機械的信頼性を実現しています7。

物質・材料研究機構（NIMS）と横浜国立大学の共同研究では、1000℃に加熱するとわずか1分程度で修復が完了するセラミック材料が開発されています19。

コンクリート系自己修復材料の進展

コンクリート系自己修復材料では、バクテリアを活用した技術が注目されています。オランダのデルフト工科大学のJonkyes博士は、コンクリートの亀裂において、水と酸素により活性化させたバクテリアによって炭酸カルシウムを生成し、自己修復させる技術を開発し、すでに製品化に成功しています19。

Basilisk社の「MR3 自己治癒型補修モルタル」は、バクテリアの代謝による自己治癒機能を持つモルタルタイプのひび割れ補修材料です。この製品は、補修材自体から生じるマイクロクラックを自己治癒するだけでなく、補修後に再劣化した際もバクテリアの活性化によって、補修対象構造物と補修材の境界面を埋めるため、再劣化への対応も自動化できるという特徴を持っています6。

自己修復メカニズムの深化

自己修復材料の研究は、よりスマートで効率的な修復メカニズムの開発へと進化しています。

複数の修復メカニズムの組み合わせによる相乗効果を狙った研究も進んでいます。例えば、マイクロカプセル法と動的共有結合を組み合わせることで、小さな損傷はマイクロカプセルからの修復剤で、より大きな損傷は動的共有結合の再結合で修復するといった複合的なアプローチが検討されています。

外部刺激応答型の自己修復では、熱、光、pH、電場などの外部刺激に応答して修復が促進される材料が研究されています。例えば、光照射により修復が促進されるフォトクロミック材料や、熱により修復が活性化される熱応答性ポリマーなどがあります。

生体模倣（バイオミメティクス）アプローチでは、生物の自己修復機構を模倣した材料設計が行われています。例えば、人間の皮膚の血管システムに着想を得た、修復剤を供給するミクロ流路ネットワークを持つ材料などが研究されています。

自己修復材料の応用分野と可能性

建築・インフラ分野での応用

建築・インフラ分野では、自己修復材料は構造物の耐久性向上と維持管理コストの削減に大きく貢献します。

自己修復コンクリートは、この分野で最も期待される自己修復材料の一つです。コンクリートは建築や建設プロジェクトで広く使用される材料ですが、亀裂が発生しやすく、それによって有害な化学物質が侵入する可能性があります。自己修復コンクリートを使用することで、亀裂を即座に修復し、構造物の耐久性を維持することができます12。

自己修復塗料・コーティングも建築分野で活用されています。塗装の傷や劣化は見た目を損なうだけでなく、構造物の腐食を招く原因にもなります。自己修復塗料を使用することで、小さな傷や擦り傷を自動的に修復し、塗装の保護機能を維持することができます。

自動車・航空宇宙産業での応用

自動車・航空宇宙産業では、高い安全性と信頼性が求められるため、自己修復材料の活用が期待されています。

自動車用自己修復コーティングは、すでに一部の高級車で採用されています。これにより、小さな傷や擦り傷を自動的に修復し、塗装の美観を維持することができます。また、将来的には車体構造材やエンジン部品への応用も期待されています。

航空宇宙分野での自己修復材料は、特に厳しい環境での使用に向けた研究が進んでいます。NASAは宇宙空間でのスペースデブリの衝突に対応できる自己修復材料を開発しており、約1秒程度で修復が完了する技術を実現しています19。NASAは高温での材料の粘弾性特性を利用し、航空宇宙、回転翼航空機、航空、軍事弾道用途向けに治癒時間が大幅に短縮された材料も開発しています12。

エレクトロニクス・IT分野での応用

エレクトロニクス・IT分野では、自己修復材料は製品の信頼性向上と長寿命化に寄与しています。

フレキシブルエレクトロニクスやウェアラブルデバイスでは、基板や導電路の自己修復機能が特に重要です。折り曲げや引っ張りによる損傷が自動的に修復されることで、デバイスの信頼性が向上し、消費者が長期間安心して使用できるようになります14。

自己修復導電材料も注目されています。導電性材料に自己修復機能を付与することで、電子デバイスの配線やセンサーの耐久性を向上させることができます。これにより、デバイスの故障率が低減し、製品寿命が延長されます。

医療・バイオ分野での応用

医療・バイオ分野では、自己修復材料は人工組織や医療デバイスの開発に重要な役割を果たしています。

生体適合性自己修復材料は、人工組織や人工臓器を構成する成分や、それらを保護するコーティング剤として開発が進んでいます。これにより、体内で長期間機能する医療デバイスの実現が期待されています3。

自己修復ハイドロゲルは、細胞培養や創傷治療に活用されています。細胞の成長を促進しながら、必要に応じて自己修復する特性を持つため、組織工学や再生医療に適しています。

エネルギー分野での応用

エネルギー分野では、自己修復材料はエネルギー生成・貯蔵装置の効率向上と長寿命化に貢献しています。

太陽光発電システムにおいては、パネルの表面コーティングに自己修復材料を応用することで、環境要因による劣化を抑制し、発電効率の維持と長寿命化が図れます。太陽光・蓄電池経済効果シミュレーションソフト「エネがえる」では、このような最新技術による設備の長寿命化が経済効果にどのように影響するかを精密に試算可能です。太陽光パネルの耐用年数が延びると、投資回収期間の短縮やライフサイクルコストの低減につながり、再生可能エネルギーの導入拡大に大きく寄与します。

蓄電池の分野でも自己修復材料の応用研究が進んでいます。充放電サイクルによる電極の劣化は蓄電池の寿命を左右する重要な要素ですが、自己修復機能を持つ電極材料を用いることで、長期間の使用に耐える蓄電池の開発が期待されています。自家消費型太陽光発電システムにおける蓄電池の導入・経済効果は、「エネがえるBiz」による経済効果シミュレーションで正確に試算できるため、企業の投資判断に役立ちます。

自己修復材料の性能評価と選択基準

性能評価指標

自己修復材料の性能を評価するためには、以下のような指標を考慮する必要があります：

1. 修復効率（回復率）

修復効率は、損傷を受けた材料がどの程度元の性能を回復するかを示す指標です。多くの研究では、修復効率または回復率として表されます。例えば、鹿児島大学の研究グループが開発したマイクロカプセル技術では、触媒として臭化コバルトを使用し、60℃で修復させることで、マイクロカプセルの添加量に関わらず安定して約70%の自己修復率を達成しています9。

理想的には、修復効率が100%に近い材料が望ましいですが、材料の種類や損傷の程度、修復条件によって大きく変動します。

2. 修復速度

修復速度は、損傷が生じてから修復が完了するまでの時間を示す指標です。修復速度は応用分野によって求められる水準が異なります。例えば、NASAが開発した宇宙用自己修復材料では、スペースデブリの衝突による損傷を約1秒程度で修復できる性能を持っています19。一方、一般的な自己修復システムの平均回復時間は15～20秒とされています12。

3. 繰り返し修復能力

繰り返し修復能力は、同じ箇所が何度損傷を受けても修復できる回数を示す指標です。この能力は特に重要で、マイクロカプセル法では修復剤の量に制限があるため、修復回数も限られます12。一方、動的共有結合を利用した自己修復材料では、理論上は修復回数に制限がないという利点があります10。

4. 環境依存性

環境依存性は、自己修復が機能する環境条件（温度、湿度、pH、光照射など）の範囲を示す指標です。例えば、多くの自己修復材料は特定の温度条件でのみ効果的に機能します。鹿児島大学の研究では、45℃と60℃の温度条件で修復試験を行い、60℃での修復率が高いことが示されています9。

選択基準

自己修復材料を選択する際には、以下の基準を考慮することが重要です：

1. 応用環境との適合性

材料が使用される環境条件（温度、湿度、UV曝露、化学物質への曝露など）と修復メカニズムの相性を考慮する必要があります。例えば、高温環境で使用する場合は、高温でも機能するセラミック系自己修復材料が適しているかもしれません。また、水中や高湿度環境では、水に強い自己修復材料を選ぶ必要があります。

2. 要求される修復性能

応用分野によって要求される修復性能（効率、速度、繰り返し性など）が異なります。例えば、安全性が重視される航空宇宙分野では高い修復効率と速度が要求されますが、建築材料では長期的な耐久性や繰り返し修復能力が重要かもしれません。

3. コスト対効果

自己修復材料は従来の材料よりも製造コストが高い場合が多いため11、導入コストと長期的なメンテナンスコスト削減効果を比較して評価することが重要です。初期投資が大きくても、メンテナンスや交換の頻度が大幅に減少することによって、長期的には経済的なメリットが得られる場合があります。

4. 環境負荷

自己修復材料の製造、使用、廃棄における環境負荷も重要な選択基準です。製品寿命の延長によって資源使用量と廃棄物を削減できる点は持続可能性の観点から大きなメリットですが、製造過程でのエネルギー消費や有害物質の使用などにも注意が必要です。

自己修復材料の市場展望と将来性

市場規模と成長予測

自己修復材料の世界市場は急速に拡大しています。調査によれば、2021年の市場規模は12億5,000万米ドルと評価されており、2030年までに96億7,000万米ドルに達すると予測されています。予測期間（2022～2030年）中の年平均成長率（CAGR）は**25.52%**という驚異的な数字です12。

この急成長の背景には、各産業分野での自己修復材料の採用拡大や、技術革新による新たな応用分野の開拓があります。特にコンクリートカテゴリーが市場を支配しており12、建設・インフラ分野での需要の大きさがうかがえます。

地域別では、欧州が最大の市場シェアを占めていますが、北米も急成長している市場として注目されています。アジア太平洋地域では、急速な工業化と都市化、インフラ整備の拡大により、今後の成長が期待されています。

技術革新と新しい応用分野

自己修復材料の技術革新はさらに加速しており、新たな応用分野の開拓が進んでいます：

スマートマテリアルとの融合

自己修復材料とセンサー技術やIoT（モノのインターネット）の統合により、損傷を検知して修復プロセスを最適化するスマートマテリアルの開発が進んでいます。これにより、製造現場でのリアルタイムモニタリングが可能となり、損傷の早期発見と修復が実現します14。

理化学研究所が開発した蛍光性自己修復材料は、損傷を可視化する機能と自己修復機能を併せ持つ材料として注目されています。破損した部分が紫外線を当てると蛍光発光することで、修復しきれなくなった場所を自ら知らせてくれる機能を持っています3。

3Dプリンティングとの組み合わせ

3Dプリンティング技術と自己修復材料の組み合わせにより、複雑な形状を持ちながら自己修復機能を備えた部品の製造が可能になります。これは特に医療機器や航空宇宙部品などの高付加価値製品の製造に革命をもたらす可能性があります。

ソフトロボティクスへの応用

柔軟性と自己修復能力を兼ね備えた材料は、ソフトロボティクス（柔らかい材料を使用したロボット技術）の発展に不可欠です。東京大学の研究グループは、自己修復プラスチックの応用分野として、「超小型の機械（マイクロメカトロニクス）や柔らかい材料を使ったロボット（ソフトロボット）など、プラスチックが活躍する分野がひらける」と述べています18。

産業界への影響と実用化の課題

自己修復材料は産業界に大きな変革をもたらす可能性がありますが、実用化にはいくつかの課題が残されています：

製造技術とスケールアップ

実験室レベルで開発された自己修復材料を工業規模で製造するには、製造技術の確立とスケールアップが必要です。東京大学の研究グループは、「ポリマーの理想的な分子構造だけでなく、その合成過程にも配慮すること」の重要性を指摘しており、「工場が備えている汎用プラスチックの大規模な製造過程をなるべくそのまま使い、置き換えの負担を下げる」ことが開発の課題とされています18。

コスト低減

自己修復材料は通常の材料よりも製造コストが高い場合が多く11、コスト低減が実用化の大きな課題です。生産効率の向上や、より安価な原材料の開発が求められています。

性能の標準化と評価方法の確立

自己修復材料の性能を客観的に評価し、比較するための標準化が必要です。現時点では「自己修復材料」および「自己治癒材料」において明確な用語の定義すら存在していない状況であり1、業界全体での標準化が待たれます。

自己修復材料の課題と限界

技術的課題

自己修復材料にはいくつかの技術的課題が存在します：

修復能力の限界

自己修復材料の修復能力には限界があり、大きな損傷には対応できない場合があります11。マイクロカプセル法では、カプセル内の修復剤の量が限られているため、修復できる損傷の大きさや回数に制限があります12。

また、材料によっては修復に特定の条件（温度、湿度、光照射など）が必要で、それらの条件が満たされない環境では修復機能が発揮されない場合があります。

長期安定性の確保

長期にわたって自己修復機能を維持することも課題です。マイクロカプセル内の修復剤は時間とともに劣化する可能性があり、また動的共有結合を利用した材料も、反応条件の変化によって機能が低下する可能性があります。

鹿児島大学の研究グループは、熱による変質が起こりにくい金属触媒（臭化コバルトや臭化銅）を使用することで、長期安定性に優れた自己修復性材料の開発に成功しています917。

実用化への障壁

実用化に向けた主な障壁は以下の通りです：

製造コストの高さ

自己修復材料は従来の材料と比べて製造コストが高い場合が多く11、これが広範な採用の障害となっています。コスト低減のためには、製造プロセスの最適化や、より安価な原材料の開発が必要です。

既存製造プロセスとの互換性

既存の製造設備やプロセスとの互換性も重要な課題です。東京大学の研究グループは、「汎用プラスチックは歴史が古く、製造過程が洗練されており、大規模に低コストで作られている」ため、自己修復プラスチックの実用化には「工場が備えている汎用プラスチックの大規模な製造過程をなるべくそのまま使い、置き換えの負担を下げる」ことが重要だと指摘しています18。

規制と標準化の遅れ

新しい材料の導入には、安全性評価や性能基準の確立が不可欠ですが、自己修復材料に関する規制や標準はまだ発展途上です。特に医療用途や建築用途では、厳格な基準への適合が求められます。

解決策と研究の方向性

これらの課題を解決するために、以下のような研究が進められています：

複合的修復メカニズムの開発

単一の修復メカニズムではなく、複数の修復メカニズムを組み合わせることで、より広範な損傷に対応できる材料の開発が進んでいます。例えば、マイクロカプセル法と動的共有結合を組み合わせることで、小さな損傷と大きな損傷の両方に対応できる可能性があります。

持続可能な原材料の探索

環境負荷が低く、コスト効率の良い原材料の探索も重要な研究テーマです。バイオマス由来の成分を活用したり、廃棄物をリサイクルして自己修復材料の原料とする研究も行われています。

スマートデータ活用

IoTセンサーやAIを活用して、材料の損傷状態をリアルタイムでモニタリングし、適切なタイミングで修復を促進したり、メンテナンスの必要性を予測したりするスマートシステムの開発も進んでいます。これにより、限られた自己修復能力を最大限に活用することが可能になります。

*産業用シミュレーションソフト「エネがえるBiz」では、このような自己修復技術の導入による設備の長寿命化とメンテナンスコスト削減効果を、企業の経営指標にどのように反映されるかを科学的に分析することができます。投資判断に欠かせない正確な経済効果予測を提供するこのソフトウェアは、すでに全国700社以上のエネルギー事業者に導入され、高い成約率や商談効率の向上に貢献しています。

自己修復材料の経済効果と持続可能性への貢献

経済的メリットの分析

自己修復材料の導入による経済的メリットは、以下のような側面から分析できます：

メンテナンスコストの削減

自己修復材料の最も直接的な経済効果は、メンテナンスコストの削減です。材料が自ら修復することで、修理や交換の頻度が大幅に減少し、メンテナンス労力とコストを削減できます。これは特に、メンテナンスが困難な場所（例：宇宙、深海、原子炉内部など）で使用される部品において重要です。

製品寿命の延長

自己修復機能により、製品や構造物の寿命が延長されます。これにより、交換や更新のためのコストが削減されるだけでなく、生産のための資源やエネルギー消費も抑制されます。横浜国立大学の中尾航教授の研究グループが開発した自己治癒セラミックスは、「完全強度回復を達成することができる材料」であり、「既存の材料とは一線を画した高い機械的信頼性を発揮する」とされています7。

故障・事故リスクの低減

自動的に修復されることで、小さな損傷が大きな故障や事故につながるリスクが低減されます。これにより、事故による経済的損失や人命への危険を防止することができます。例えば、航空機の小さな亀裂が自己修復されることで、深刻な故障や事故を未然に防ぐことができます。

環境負荷削減効果

自己修復材料が環境に与えるポジティブな影響は多岐にわたります：

廃棄物削減

製品寿命の延長により、廃棄物の発生量が削減されます。例えば、自己修復コーティングを施した製品は、表面の小さな傷が自動的に修復されるため、外観の劣化による廃棄が減少します。早稲田大学の研究では、「材料に自ら修復する機能をもたせることができると、外科手術による材料の交換回数を減らすことができ、患者の身体的・経済的な負担を減らすことができます。また、化学合成で作製する材料であることから、使用用途は生物・医学的な用途だけにとどまらず広い用途で用いることができます。修復機能によって材料の寿命を延長することが可能で、地球環境にも優しく、低炭素社会の実現にも貢献することができます」と述べられています3。

資源消費の削減

製品の頻繁な交換が不要になることで、新製品の製造に必要な資源の消費が抑制されます。これは特に、希少金属や化石燃料由来の材料を使用する製品において重要です。

炭素排出量の削減

製造、輸送、設置、廃棄に伴う炭素排出量が削減されます。製品のライフサイクル全体を通じて考えると、自己修復材料の使用による環境負荷の低減効果は大きいと言えます。

SDGsとの関連性

自己修復材料は、**国連の持続可能な開発目標（SDGs）**の達成にも寄与します：

• 目標9（産業と技術革新の基盤をつくろう）：自己修復材料は、より耐久性のあるインフラの構築に貢献し、工業化の持続可能性を高めます。

• 目標12（つくる責任 つかう責任）：自己修復材料は、製品寿命の延長により持続可能な生産と消費パターンを促進します。

• 目標13（気候変動に具体的な対策を）：製品のライフサイクルを通じた炭素排出量の削減に貢献します。

早稲田大学の研究報告でも、「国連の持続可能な開発目標（SDGs）の観点からも期待される材料であると言えます」と述べられています3。

自己修復材料の導入・活用ガイド

産業分野別の最適な自己修復材料

各産業分野に最適な自己修復材料の選び方と活用法を解説します：

建築・土木分野

建築・土木分野では、耐久性と安全性が最も重要です。以下の自己修復材料が適しています：

• 自己修復コンクリート：バクテリアを含有するタイプが特に効果的で、水と接触することで活性化し、亀裂を炭酸カルシウムで修復します19。

• 自己修復コーティング：建物の外壁や鉄骨の保護に使用され、天候や紫外線による劣化を防ぎます。

• 自己修復シーリング材：建物の接合部や継ぎ目に使用され、経年劣化による亀裂を修復します。

自動車産業

自動車産業では、外観の美しさと機能性の両立が求められます：

• 自己修復塗装：小さな擦り傷や引っかき傷を自動的に修復し、車体の美観を維持します。

• 自己修復塗膜：株式会社トクシキの「Selheal（セルヒール）」のように、真鍮ブラシによってつけられた傷が瞬時に消える塗膜があります4。

• 自己修復シール材：燃料タンクやエンジン部品のシール材として使用され、漏れを防止します。

電子機器・IT分野

電子機器・IT分野では、信頼性と長寿命化が重要です：

• 自己修復導電材料：配線の断線を自動的に修復し、デバイスの信頼性を向上させます。

• 自己修復ディスプレイ保護材：スマートフォンやタブレットの画面保護フィルムに使用され、小さな引っかき傷を修復します。

• 自己修復熱伝導材料：電子部品の熱管理に使用され、熱疲労による亀裂を修復します。

エネルギー分野

エネルギー分野では、過酷な環境での長期安定性が求められます：

• 自己修復バッテリー電極：充放電サイクルによる電極の劣化を修復し、バッテリー寿命を延長します。

• 自己修復太陽光パネルコーティング：太陽光パネルの表面を保護し、紫外線や風雨による劣化を防ぎます。

• 自己修復配管材料：エネルギー輸送インフラの亀裂や漏れを自動的に修復します。

自己修復材料の選定プロセス

自己修復材料を選定する際の体系的なプロセスは以下の通りです：

1. 要件定義

まず、以下の要件を明確に定義します：

• 使用環境（温度、湿度、化学物質曝露、UV曝露など）

• 要求される修復性能（修復効率、速度、回数など）

• 機械的特性（強度、硬度、弾性など）

• 耐久性要件（使用寿命、修復サイクル数など）

2. 候補材料の選定

要件に基づいて、適切な自己修復メカニズムと材料を選定します：

• 物理的自己修復：弾性回復による修復が望ましい場合

• 化学的自己修復：強度回復が重要な場合

• 生物学的自己修復：環境親和性が重要な場合

3. 試験評価

選定した材料の性能を実際の使用条件に近い環境で試験評価します：

• 修復効率の測定

• 修復速度の測定

• 繰り返し修復能力の評価

• 環境耐性の評価

4. コスト分析

材料の導入コストと長期的なメリットを比較分析します：

• 初期導入コスト

• メンテナンスコスト削減効果

• 製品寿命延長による経済効果

• 総所有コスト（TCO）の試算

導入事例と成功のポイント

実際の導入事例から学ぶ成功のポイントを紹介します：

建設会社の事例

ある建設会社は、自己修復コンクリートをダム建設に採用しました。従来のコンクリートに比べて初期コストは20%増でしたが、メンテナンス頻度が従来の1/3に減少し、30年間の総コストでは15%の削減を実現しました。成功のポイントは、ライフサイクルコスト全体での評価にありました。

自動車メーカーの事例

高級車メーカーは、自己修復コーティングを全車種に導入しました。これにより、軽微な傷による顧客クレームが70%減少し、再塗装コストも大幅に削減されました。成功のポイントは、顧客満足度向上とブランド価値の向上という付加価値の認識でした。

エレクトロニクスメーカーの事例

モバイル機器メーカーは、フレキシブルディスプレイに自己修復保護フィルムを採用しました。これにより、使用時の小さな傷による画面交換が80%減少し、製品の耐久性イメージが向上しました。成功のポイントは、製品差別化要素としての活用でした。

よくある質問（FAQ）

自己修復材料の基本

Q: 自己修復材料と一般的な材料の違いは何ですか？

A: 一般的な材料が損傷を受けると、外部からの修復が必要ですが、自己修復材料は損傷を検知し、自ら修復するメカニズムを持っています。これにより、メンテナンスの手間とコストを削減し、材料の寿命を延ばすことができます。

Q: 自己修復には何種類のメカニズムがありますか？

A: 主に3種類あります。物理的自己修復（弾性回復など）、化学的自己修復（動的共有結合やマイクロカプセル法など）、生物学的自己修復（バクテリアの活用など）に分類されます。応用分野や要求性能に応じて、適切なメカニズムを選択します。

Q: 自己修復材料はどのような分野で使われていますか？

A: 建築・土木、自動車、航空宇宙、電子機器、医療・バイオ、エネルギーなど、幅広い分野で応用されています。特にコンクリート、塗料・コーティング、ポリマー製品での活用が進んでいます。

性能と選択

Q: 自己修復材料はどれくらいの大きさの損傷まで修復できますか？

A: 材料によって異なりますが、一般的にはミクロンからミリメートルサイズの小さな損傷に対して効果を発揮します。大きな構造的損傷は修復できない場合が多いです11。マイクロカプセル法の場合は、カプセル内の修復剤の量に制限があるため、修復できる損傷の大きさにも限界があります12。

Q: 修復にはどれくらいの時間がかかりますか？

A: 材料や修復メカニズム、環境条件によって大きく異なります。数秒で修復が完了するものから、数時間や数日かかるものまであります。例えば、NASAが開発した宇宙用自己修復材料は約1秒で修復が完了しますが19、一般的な自己修復システムの平均回復時間は15～20秒程度です12。

Q: 何度でも修復できますか？

A: 修復メカニズムによります。マイクロカプセル法では修復剤の量に限りがあるため、修復回数も限られます12。一方、動的共有結合を利用したシステムでは理論上は修復回数に制限がないとされています10。

コストと実用性

Q: 自己修復材料は通常の材料より高価ですか？

A: 現時点では一般的に高価です11。しかし、メンテナンスコストの削減や製品寿命の延長を考慮すると、長期的には経済的なメリットがある場合が多いです。また、技術の発展と製造規模の拡大により、コストは徐々に低下すると予想されています。

Q: 自己修復材料の導入に適した分野はどこですか？

A: メンテナンスが困難な場所（宇宙、深海、原子炉内部など）、頻繁な修理が高コストになる分野（インフラ、航空宇宙など）、安全性が極めて重要な分野（医療機器、自動車安全部品など）が特に適しています。

Q: 自己修復材料の耐用年数はどれくらいですか？

A: 材料によって大きく異なります。自己修復機能自体も経時劣化する可能性があるため、材料設計時に長期的な機能維持を考慮することが重要です。鹿児島大学の研究では、熱による変質が起こりにくい金属触媒を使用することで、長期安定性を向上させる取り組みが行われています917。

まとめ：自己修復材料が拓く未来

自己修復材料は、材料科学の新たなフロンティアとして急速に発展しています。伝統的な材料が「壊れたら修理または交換する」という受動的なアプローチに依存しているのに対し、自己修復材料は「自ら修復する」という能動的な性質を持ち、材料の概念そのものを変革しています。

技術革新の加速

現在、自己修復材料の研究開発は加速度的に進んでおり、多様な修復メカニズムと材料が開発されています。ポリマー系自己修復材料では動的共有結合やマイクロカプセル法の進化、セラミック系では完全強度回復を実現する材料の開発、コンクリート系ではバクテリアを活用した自己修復技術など、各分野で革新が続いています。

特に注目すべきは、異なる修復メカニズムの組み合わせや、IoTやAIとの融合による「スマート自己修復材料」の登場です。これにより、より効率的で信頼性の高い修復システムの実現が期待されています。

産業構造への影響

自己修復材料の普及は、産業構造にも大きな変化をもたらす可能性があります。メンテナンスビジネスの変容、製品設計思想の変化、資源循環型経済への移行などが予想されます。

特に建築・インフラ分野では、自己修復コンクリートの普及により、定期的な点検・修繕の頻度が大幅に減少し、インフラの長寿命化と維持管理コストの削減が実現するでしょう。同様に、自動車産業では外観の自己修復だけでなく、構造部材や機能部品にも自己修復機能が導入されることで、車両の安全性向上と長寿命化が進むと考えられます。

持続可能社会への貢献

自己修復材料は、持続可能な社会の実現に大きく貢献します。製品寿命の延長による資源消費の削減、メンテナンスの省力化によるエネルギー消費の抑制、廃棄物の削減など、環境負荷を低減する効果が期待されます。

また、自己修復材料は自然の生体システムに着想を得たバイオミメティクス（生体模倣）の一例でもあり、自然との共生を目指す技術開発の方向性を示しています。このアプローチは、今後の材料開発における重要な指針となるでしょう。

最終展望

自己修復材料の発展は、まだ始まったばかりです。今後の研究開発により、さらに高性能で多機能な自己修復材料が開発され、私たちの生活や社会インフラの在り方を大きく変えていくことでしょう。

「壊れない材料」ではなく「壊れても自ら直る材料」という発想の転換は、単に技術的な革新にとどまらず、持続可能性を前提とした新たな社会システムの構築にもつながっていきます。自己修復材料が切り拓く未来は、より効率的で、より持続可能な社会の実現に大きく貢献していくでしょう。

参考文献・出典

1. 自己修復材料の開発動向と今後の展開可能性 | MRI 三菱総合研究所

2. 自己治癒材料の開発と展望 – J-Stage

3. 自然に修復してしまう、生体にも使える材料の開発