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ハイドロゲルとエアロゲル 技術解説

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TECHNOLOGY EXPLAINER

ハイドロゲルとエアロゲル
― 「水を含んだ網目」と「空気を含んだ網目」を、乾かし方と網目の設計で読む

ゲルは、三次元の網目が大量の液体を抱えた材料です。液体が水ならハイドロゲル、液体を気体に置き換えて網目と孔を保ったものがエアロゲルです。 同じ「網目」でも、ハイドロゲルは柔らかくて脆いのが弱点で、ダブルネットワークなどの設計で強くします。エアロゲルは空気が9割超の固体で、孔が数 nm から数十 nm と小さいため、空気の熱伝導まで抑えて断熱材になります。 この記事では、ハイドロゲルの構造と靱性の設計、自己修復ゲル、イオンゲル、導電性ゲル、そしてシリカ・ポリマー・カーボンのエアロゲルの断熱と吸着を、一次情報の範囲で整理します。バイオ・医療用途は、材料の説明にとどめ、助言は書きません。

構成：査読論文（Nature、Advanced Materials、Soft Matter、J. Am. Chem. Soc.、Nature Communications など）、Koebel らの総説（J. Sol-Gel Sci. Technol.）、ISO・JIS の規格ページを使用／確認日 2026年10月10日

左は水を含んだゲル、右は空気を多く含む多孔体の例です
図1　概念画像（ImageGenで生成）。左は水を含んだゲル、右は空気を多く含む多孔体の例です。拡大模型は網目の違いを示し、実際の孔径・含水率ではありません。 実際の施設・製品・測定結果ではありません。
この記事の構成
  1. ゲルとは何か（3行でつかむ）
  2. ハイドロゲルは「柔らかくて脆い」 ― 靱性の測り方と設計
  3. 自己修復ゲル、イオンゲル、導電性ゲル
  4. エアロゲルとは何か ― 乾かし方で網目の運命が決まる
  5. 断熱 ― なぜ空気より熱を通しにくくなるのか（本稿の計算）
  6. ポリマー・カーボンのエアロゲルと、吸着
  7. バイオ・医療用途について
  8. 評価・標準の読み方
  9. 限界と、確認できなかったこと
  10. 用語集
  11. 参考資料（一次情報）
  12. 主張と出典の対応表（監査）
本記事の表記ルール

事実＝公表資料に記載のある内容（出典リンクあり）
本稿の計算＝明示した前提をもとに本記事が算出した値
未確定／将来＝計画・予定であり、実績が確認できていない事項
このほか、材料設計上の読み取りは「解説」として区別しています。推測は太字で示します。

この記事の数値の読み方

ここに出てくる靱性（破壊エネルギー）、熱伝導率、導電率の数値は、特定の組成・試料の形態（モノリス、ブランケット、フィルム）・含水率・温度・測定法で報告された研究室の結果です。ゲルの値は含水率や乾燥の状態で大きく変わり、異なる試験法の数値を並べて優劣をつけることはしません。 医療・バイオ用途の個別の助言は書きません。製品や企業の優劣は論じません。

1. ゲルとは何か（3行でつかむ）

  • 網目と液体の複合体：ゲルは、三次元の高分子（またはシリカなど）の網目が液体を抱えた材料です。液体が水ならハイドロゲルです。Sun らは、ハイドロゲルが組織工学の足場、薬物送達の担体、光学・流体用のアクチュエーターなどに使われると述べています事実［参考資料4］
  • 乾かして空気に置き換えるとエアロゲル：エアロゲルは、長らく、ゾル–ゲル法で作ったゲルを超臨界乾燥して得る、ナノ構造の材料と定義されてきました。蒸発で乾かした同様の材料は「キセロゲル」と呼ばれました。近年は、常圧の乾燥でも、超臨界乾燥の「古典的な」エアロゲルに似た構造を得られるようになっています事実［参考資料2］。
  • 数字は条件つき：ハイドロゲルは含水率と試験法で、エアロゲルは密度と測定法・温度・圧力で値が変わります。この記事は、数字の背後の条件を一緒に示します
この記事でいちばん大事な一行

ゲルの性質は、「網目の設計」と「溶媒の抜き方（または保ち方）」の二つで決まります。 ハイドロゲルは水を含んだままなので、脆さを網目の設計（エネルギーを散逸する第二の機構）で補います。エアロゲルは溶媒を抜くとき、毛管力で網目が縮むため、超臨界乾燥や、表面の化学修飾（シリル化）を使って網目を守ります事実［参考資料2・4・5］。

2. ハイドロゲルは「柔らかくて脆い」 ― 靱性の測り方と設計

Calvert は、合成ハイドロゲルは一般に非常に弱いため、高分子や複合材のように機械設計の材料として考えられてこなかった、と述べています。一方で、軟骨のような生体のゲル複合材は強く、衝撃を吸収する構造体として働きます事実［参考資料3］。 Sun らは、ほとんどのハイドロゲルは脆く、破壊エネルギーは約10 J／m²で、軟骨の約1,000 J／m²、天然ゴムの約10,000 J／m² に比べて小さい、と整理しています。例として、アルギン酸のハイドロゲルは元の長さの約1.2倍で破断します。合成の弾性ハイドロゲルには伸びが10〜20倍に達するものがありますが、切り欠きを入れると大きく下がる、とも述べています事実［参考資料4］。

強くする設計 ① ダブルネットワーク（Gong ら）

ダブルネットワーク（DN）ゲルは、性質の反対な二つの網目からなります。第一の網目は、架橋の多い高分子電解質（硬い骨格）、第二の網目は、架橋の少ない中性の高分子（延びやすい成分）で、この順に合成します。Gong は、適切な条件で作った DN ゲルは、含水率約90 wt%でありながら、弾性率 0.1〜1.0 MPa、引張の破断応力 1〜10 MPa（ひずみ1,000〜2,000%）、圧縮の破断応力 20〜60 MPa（ひずみ90〜95%）、引き裂きの破壊エネルギー 100〜1,000 J／m² を持つと整理しています。靱性化は局所的な降伏の機構にもとづくとされ、骨や象牙質のようなナノ複合材と共通点があるといいます事実［参考資料5］。2003年の最初の報告では、破断強度が数十 MPa に達するハイドロゲルが示されました［参考資料6］。

強くする設計 ② 共有結合とイオン結合の網目（Sun ら）

Sun らは、イオン結合と共有結合の二つの網目からなる高分子のハイドロゲルを報告しました。約90%の水を含みながら、元の長さの20倍を超えて伸び、破壊エネルギーは約9,000 J／m²で、切り欠きがあっても17倍の伸びを示しました。靱性の理由は、共有結合の網目による「亀裂の架橋」と、イオン架橋が「ほどける」ことによる履歴（エネルギーの散逸）の相乗効果とされています。共有結合の網目が元の状態を記憶するので、大きな変形の多くは除荷で戻り、ほどけたイオン架橋による内部損傷は、「結び直し」で治ります事実［参考資料4］。 Zhao らの総説は、強いハイドロゲルは一般に、大きなエネルギーを散逸する機構と高い弾性を保つ機構を兼ね備えており、その組み合わせを、ナノからマクロまでの複数の長さの階層で入れるのが有望な設計戦略だと整理しています事実［参考資料7］。

本稿の計算：破壊エネルギーの比

Sun らが示した「ふつうのハイドロゲル：約10 J／m²」と、自分たちのゲルの「約9,000 J／m²」の比は 9,000 ÷ 10 ＝ 約900倍です本稿の計算。軟骨（約1,000 J／m²）と比べると約9倍、天然ゴム（約10,000 J／m²）と比べると約0.9倍です。DN ゲルの引き裂きエネルギー 100〜1,000 J／m² は、ふつうのゲルの約10〜100倍です。 前提と限界：破壊エネルギーは試験の方法（切り欠きの有無、引張の速さ、試料の形状）で変わるため、異なる論文の値を同じ物差しで比べるのは目安にとどまります。含水率約90%という共通点はありますが、組成も測定法も別の報告の値です。

ハイドロゲルの破壊エネルギーは、設計で2〜3桁上がる（本稿の整理） 横軸は対数目盛り（J／m²）。報告ごとに試験法が異なり、優劣を示すものではありません。 1 10 100 1,000 10,000 100,000 ふつうのハイドロゲル 約10［4］ 靱性を高めた合成ゲルの一部 100〜1,000［4］ ダブルネットワークゲル 100〜1,000（引き裂き）［5］ アルギン酸–ポリアクリルアミド 約9,000［4］ 軟骨（比較） 約1,000［4］ 天然ゴム（比較） 約10,000［4］ ※ 青はハイドロゲル、橙は比較の天然材料。値は Sun ら［参考資料4］と Gong［参考資料5］の記述で、含水率は約90%のものが中心です。 ※ 破壊エネルギーは試験法（切り欠き・速度・形状）で変わるため、異なる報告の値を同じ物差しで比べる目安にとどまります。 ※ 縦の並びは優劣を示しません。DN ゲルの値は引き裂きの破壊エネルギーです。
図2　概念図を含む作図（ベクター作図）。ふつうのハイドロゲルの破壊エネルギーは約10 J／m² で、ダブルネットワークや、イオン・共有結合の二重の網目で2〜3桁上がると報告されています。試験法の違う報告を並べた整理で、優劣を示すものではありません。
素材技術者の視点①：ハイドロゲルを強くする鍵は「壊れ方」の設計にある

DN ゲルも、イオン・共有結合のゲルも、先に壊れる弱い結合（第一の網目、イオン架橋）がエネルギーを吸収し、残る強い網目が形を保つ、という二段構えです［参考資料4・5・7］。金属やセラミックスの靱性化（延性相、相変態、亀裂のブリッジング）と考え方が似ています（本記事による解説）。 素材から見ると、含水率約90%のゲルでは、ポリマーは体積で1割程度しかないので、少ない固体で、エネルギー散逸と弾性を両立させる配分が設計の中心になります。また、散逸のために壊れた結合が元に戻るか（Sun らのゲルではイオン架橋の「結び直し」）が、繰り返し使える材料かどうかを決めます［参考資料4］。

3. 自己修復ゲル、イオンゲル、導電性ゲル

自己修復ゲル

Taylor と in het Panhuis の総説は、自己修復ハイドロゲルは、機械的に強いものと速く治るものの両立が難しく、秒単位で自律的に治る強いゲルはまだ十分に実現していない、と述べます。自己修復の効率の試験法、自律的な修復の機構、機械的に強いハイドロゲルがまとめられ、「よく治るゲルほど速く治る」という傾向があるとしています事実［参考資料8］。自己修復材料（ビトリマーなど）一般は、本シリーズ「自己修復材料とビトリマー」編で扱っています。

イオンゲル

イオンゲルは、高分子の網目にイオン液体を保持したゲルです。Susan らは、メタクリル酸メチル（MMA）を、イオン液体 EMITFSI（1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド）の中で、少量の架橋剤とともにその場でラジカル重合し、自立した、柔軟で透明な膜を得ました。EMITFSI のモル分率が増えるとガラス転移温度が下がり、室温のイオン伝導度は約10⁻² S／cmに達しました事実［参考資料9］。Lodge は、イオン液体とブロック共重合体を組み合わせると、ほぼ無限の範囲の複合材料を作れる、と述べています［参考資料10］。

本稿の計算：イオンゲル膜の抵抗

面積当たりの抵抗 ＝ 厚み ÷ 導電率 です本稿の計算。厚み 100 µm（0.01 cm）の膜に、導電率 10⁻² S／cm を当てはめると、0.01 ÷ 0.01 ＝ 1 Ω・cm² です。 前提と限界：Susan らの値は特定の組成（PMMA／EMITFSI）の室温の値で、電極との界面抵抗、膜の均一性、温度、水分は含めていません。「1 Ω・cm²」は桁をつかむ目安で、電池や素子の設計値ではありません。

導電性ゲル

Yuk らは、PEDOT:PSS を使った3Dプリントできる導電性高分子のインクを開発し、微細な構造を作ったうえで、高い導電性をもつ柔らかいハイドロゲルの微細構造へ変換できると報告しました。柔らかい神経プローブの試作で、生体内の単一ニューロンの記録ができたとしています事実［参考資料11］。ここでは材料の紹介にとどめ、医療上の助言は書きません。導電性高分子とイオン伝導体の一般は、本シリーズ「導電性高分子とイオン伝導体」編で扱っています。

素材技術者の視点②：ゲルの導電性は「何が電荷を運ぶか」で三つに分かれる

ゲルの導電性は、水中のイオン（含水ゲルに塩を溶かす）、イオン液体のイオン（イオンゲル）、共役高分子の電子（PEDOT:PSS）の三つに分かれます（本記事による解説）。Susan らの値（約10⁻² S／cm）はイオン液体由来のイオン伝導で［参考資料9］、Yuk らの PEDOT:PSS は電子（とイオン）の混合伝導の材料です［参考資料11］。 含水ゲルは乾くと導電率も力学特性も変わるため、含水率を保つ環境（封止、湿度）が性能の一部になります。イオンゲルは蒸気圧の低いイオン液体を使うので乾きにくい、というのが設計上の利点ですが（推測。この点の一次情報は本稿では確認していない）、膜の機械強度とイオン伝導度のトレードオフは Susan らの結果（Tg が組成で変わる）から読めます［参考資料9］。

4. エアロゲルとは何か ― 乾かし方で網目の運命が決まる

Kistler が1931年に Nature 誌に発表した “Coherent Expanded Aerogels and Jellies” が、エアロゲルの出発点とされています［参考資料1］。Koebel らの総説によると、ゲルの孔の中の溶媒を蒸発で抜くと、毛管力による応力で網目が縮み、ひび割れや反りが生じます。超臨界乾燥は、この毛管力を避けて、大きなモノリス（塊）のエアロゲルを得る王道です事実［参考資料2］。

通常の乾燥で縮む例、凍結乾燥、超臨界乾燥の結果を並べています
図3　概念画像（ImageGenで生成）。通常の乾燥で縮む例、凍結乾燥、超臨界乾燥の結果を並べています。孔の形・大きさは説明用で、すべてのゲルが同じ結果になるわけではありません。 形状・色・寸法は説明用です。数値と原文の対応は下の元図で確認できます。
元のSVG模式図と正確な説明を見る
ゲルの乾かし方で、できる材料が変わる（概念図） 湿潤ゲル 網目が溶媒で満たされ ている（シリカなら ゾル–ゲル法で作る） 表面にシラノール基 超臨界乾燥 蒸発で乾燥 シリル化して 常圧乾燥 エアロゲル（モノリス） 毛管力を避けるので網目と孔が保たれる。大きな塊の合成は時間とコストがかかり、 市販の製品はほとんどが粒状かブランケット［参考資料2］ キセロゲル（蒸発で乾燥） 毛管力による応力で収縮・反り・ひび割れが起きやすい。蒸発経路で得た材料は、 従来「キセロゲル」と呼ばれた［参考資料2］ 常圧乾燥のエアロゲル（疎水化） シラノールをアルキル基などで置き換えるシリル化で、乾燥による収縮が部分的に 戻る「スプリングバック」が起き、大きなエアロゲル板に近い熱伝導率が得られる。 疎水性も得られる［参考資料2］ ※ 図は Koebel らの総説［参考資料2］の記述にもとづく説明用の概念図で、寸法・構造は特定の製品のものではありません。
図3　概念図（ベクター作図）。湿潤ゲルの乾かし方による三つの経路です。説明用の図で、特定の製品の工程ではありません。

Koebel らは、断熱用の SiO2 エアロゲルを、密度 約0.08〜0.2 g／cm³、空隙率90%超、メソ孔の直径 約4〜20 nmの低密度のナノ構造固体と整理しています。市販品は、ほとんどがシリカ系で、1940年以降に Monsanto が Kistler の方法に近い手順で最初の製品を作り、その後、生産が止まり、再び始まったとされます。今日の主力は粒状かブランケット（繊維などと複合した形）です事実［参考資料2］。

本稿の計算：密度から空隙率を確かめる

空隙率 ＝ 1 − 見かけ密度 ÷ 骨格（シリカ）の密度 です本稿の計算。非晶質シリカの密度を約2.2 g／cm³と仮定すると、見かけ密度 0.08 g／cm³で約96%、0.13 g／cm³で約94%、0.2 g／cm³で約91%です。Koebel らの「空隙率90%超」と矛盾しません。 前提と限界：骨格の密度2.2 g／cm³は一般的な値としての仮定で、実際の骨格は水酸基や有機基を含み、密度が違います。空隙率の定義（開いた孔のみか、全体か）も測定法で変わります。

5. 断熱 ― なぜ空気より熱を通しにくくなるのか（本稿の計算）

多孔質材料では、熱の移動に5つの寄与があります：①固体の骨格を通る伝導、②孔の中の流体（空気、水）を通る伝導、③孔の中の流体の対流、④固体表面から孔の流体を通る放射、⑤固体の網目や塊を通る放射。エアロゲルは、孔が非常に小さいため、②の気体の伝導が、自由な気体よりずっと低くなります。孔の中の空気の熱伝導は、気体分子の平均自由行程が孔壁に妨げられる条件で、クヌーセンの式に従って下がります。さらに低密度のため、骨格の経路（①）も細くなります事実［参考資料2］。

本稿の計算：空気分子の平均自由行程と孔の大きさ

常温・常圧の空気分子の平均自由行程は、λ ＝ kBT ／ (√2 π d² p) で見積もれます本稿の計算。T ＝ 298 K、p ＝ 101,325 Pa、分子の直径 d を約0.37 nm と仮定すると、λ ＝ 約67 nm です。 シリカエアロゲルの孔（約4〜20 nm）に対する比（クヌーセン数 Kn ＝ λ／孔径）は、孔が20 nm で約3.3、4 nm で約17 です。Kn が1を大きく超えると、気体分子は気体分子どうしより孔壁とぶつかる回数が多くなり、気体の熱伝導が自由な気体より小さくなります。 これに対し、Koebel らが比べている押出ポリスチレンのような高分子フォームの孔は、数十〜数百 µmで、λ より桁違いに大きく、気体の伝導は自由な空気とほぼ同じです［参考資料2］。 前提と限界：分子直径は一般的な値の仮定で、実際の空気は混合気体です。ここは「孔が λ より小さいと何が起きるか」を示す目安で、気体の伝導の値を予測するものではありません。

孔が空気分子の平均自由行程より小さいと、気体の伝導が下がる（本稿の計算） 横軸は対数目盛り（nm）。孔径は Koebel らの記述［参考資料2］、平均自由行程は本稿の計算です。 1 nm 10 100 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 空気の平均自由行程 約67 nm シリカエアロゲルの孔 4〜20 nm（Kn 約3.3〜17） 高分子フォームの孔 数十〜数百 µm（λ よりずっと大きい） 自由な空気中 孔壁にぶつかる前に、気体分子どうしが衝突する ※ λ ＝ kBT／(√2 π d² p)、T＝298 K、p＝101,325 Pa、d＝0.37 nm（仮定）。Kn ＝ λ／孔径。 ※ 孔径の範囲は断熱用のシリカエアロゲルと、押出ポリスチレンなどの高分子フォームについての Koebel らの記述です。
図4　本稿の計算を含む作図（ベクター作図）。シリカエアロゲルの孔は、空気分子の平均自由行程（約67 nm）より小さく、孔壁との衝突が支配的になります。目安の計算で、熱伝導率の予測ではありません。

Koebel らが示す具体例では、超臨界乾燥した密度 0.13 g／cm³ のシリカエアロゲルのモノリスは、ホットワイヤー法の室温測定で実効熱伝導率 0.015 W／(m・K)、常圧乾燥のシリカエアロゲルのブランケット（密度 0.1 g／cm³）は、保護熱板法の周囲条件で0.014 W／(m・K)でした。透明性を保った厚さ1.5 cm の大きな板では、周囲条件で約17 mW／(m・K) と透過率約90%が報告されています。比較として、従来の断熱材の熱伝導率は 0.030〜0.040 W／(m・K) 程度で、「超断熱」の境界は一般に 0.025 W／(m・K)、Koebel らは 0.020 W／(m・K) を提案しています。真空断熱パネルは、30年後の経年を考慮した等価熱伝導率が 0.007〜0.012 W／(m・K) 程度と注記されています事実［参考資料2］。

断熱材の熱伝導率の位置づけ（W／(m・K)、本稿の整理） Koebel らの記述［参考資料2］から作図。測定法・温度・圧力が項目ごとに異なり、優劣を示すものではありません。 0 0.010 0.020 0.030 0.040 0.025（一般の超断熱の境界） 0.020（Koebel らの提案） 従来の断熱材 0.030〜0.040 透明なエアロゲル板 約0.017（透過率約90%） エアロゲルのモノリス 0.015（0.13 g／cm³、ホットワイヤー法） エアロゲルのブランケット 0.014（0.1 g／cm³、保護熱板法） 真空断熱パネル（30年後） 0.007〜0.012 ※ 真空断熱パネルは経年で内圧が上がり、熱伝導率が上がるため、30年後の等価値で示されています［参考資料2］。 ※ 値は研究室または特定の試料の報告で、市販品のデータシートの値（メーカー公称）ではありません。
図5　概念図を含む作図（ベクター作図）。従来の断熱材（約0.030〜0.040 W／(m・K)）に対し、エアロゲルは0.014〜0.017 W／(m・K) の報告があります。条件の違う報告を並べた整理で、特定の製品の公称値ではありません。
素材技術者の視点③：エアロゲルの断熱は「密度の最適点」と「放射」の取り合い

Koebel らは、市販の断熱用シリカエアロゲルの密度は80〜200 kg／m³で、熱伝導率は、高密度では固体のシリカ粒子の網目を通る伝導が、低密度では孔の中の空気を通る伝導と放射が支配的になるので、最も低い値を得るには、二つの寄与の最適点を見つける必要がある、と述べています［参考資料2］。 つまり「密度が軽いほど断熱がよい」わけではありません。また、高温の用途では放射の寄与が大きくなる方向にあるので、使う温度範囲の測定値を確認する必要があります（本記事による解説。温度ごとの値は本稿では確認していない）。素材から見ると、放射を散乱・吸収する添加物を加えるのは、この取り合いへの対処になりえます（推測。この点の一次情報は本稿では確認していない）。

超臨界乾燥、凍結乾燥、通常の乾燥は異なる選択肢です
図6　概念画像（ImageGenで生成）。超臨界乾燥、凍結乾燥、通常の乾燥は異なる選択肢です。同じ湿潤ゲルでも、乾かし方で網目が縮むか保たれるかが変わります。 実際の施設・製品・測定結果ではありません。

6. ポリマー・カーボンのエアロゲルと、吸着

エアロゲルはシリカだけではありません。無機のシリカは脆く、粉が出やすい（Koebel らは、シリカエアロゲルは弾性的でも、機械的な限界がある、と述べます）ため、有機・炭素の骨格が研究されています［参考資料2］。

骨格確認できた報告読むときの注意
シリカ市販の断熱用エアロゲルのほとんど。シリカの網目の細孔内面のシラノールを、イソシアネートやアミンと反応させて有機層で覆い、脆い骨格を補強する方法が、航空宇宙の断熱向けに適用されている。未処理のシリカエアロゲルは残留シラノールのため親水性で、シリル化で疎水性になる［2］断熱の数値は第5章
ポリイミドMeador らは、ポリイミドエアロゲルが、高い空隙率、低い熱伝導率、柔軟性、低密度、優れた力学特性を併せ持つと述べ、アミン末端のオリゴマーを安価な BTC で架橋する方法を報告した。同じ密度で、従来の TAB や OAPS で架橋したものと同等以上の弾性率と、より高い比表面積を得た。分解の開始温度は主に骨格の化学で決まり、ODA が DMBZ より熱的に安定［12］著者の報告。数値（弾性率、比表面積）は本文を確認していない
カーボン（有機エアロゲルの炭化）Biener らは、レゾルシノール–ホルムアルデヒド系のモノリス状カーボンエアロゲルが、高い質量当たりの比表面積と電気伝導性を持ち、水素と電気エネルギーの貯蔵、脱塩、触媒などへの応用を議論する、と整理した［13］総説の記述。性能値は本稿では確認していない
カーボンナノチューブ＋グラフェンSun らは、市販のカーボンナノチューブと化学変換したグラフェンシートを組み立て、最大1,000 cm³、密度 0.16 mg／cm³までの、−190〜900 ℃で変わらない超弾性をもつ全炭素エアロゲルを作った［14］密度は骨格の見かけ密度。空気を含む嵩の値ではなく、用途の性能（断熱・吸着）は別に確認が要る

すべて事実（出典は各セル）。骨格の違うエアロゲルの優劣は示しません。

本稿の計算：0.16 mg／cm³ は空気の何分の一か

0.16 mg／cm³ ＝ 0.16 kg／m³ です本稿の計算。常温・常圧の空気の密度を約1.2 kg／m³と仮定すると、比は 0.16 ÷ 1.2 ＝ 約0.13、つまり骨格の質量が空気の約13%の密度です。 前提と限界：空気の密度は一般的な値の仮定で、温度・湿度で変わります。この値は、孔の中の空気を含めない骨格の見かけ密度です。

吸着と細孔の評価

吸着に使うエアロゲルは、比表面積と細孔の大きさの分布が性能を決めます。窒素やアルゴンを77 K や87 K で吸着させる方法は、約0.45〜50 nm の細孔幅を評価でき、炭素材料の微細孔には CO2（273〜293 K）の吸着が使えます（ISO 15901-2 の適用範囲の記載）事実［参考資料16］。BET 法による比表面積の求め方は ISO 9277 に定められています［参考資料15］。

素材技術者の視点④：エアロゲルの測定は、測る前の「乾かし方」に左右される

エアロゲルの網目は、乾燥時の毛管力で縮みやすい（第4章）ので、吸着測定の前処理（脱ガスの温度・時間）で孔が変わる可能性があります（推測。個々の測定条件は本稿では確認していない）。また、親水性のシリカエアロゲルは水分を吸いやすく、測定時の水分で熱伝導率も比表面積も変わりうるため、疎水化の有無と保管・前処理の条件を、数値に必ず添えます（本記事による解説）。

7. バイオ・医療用途について

ハイドロゲルは、組織工学の足場、薬物送達の担体、光学・流体のアクチュエーター、生物学の研究用の細胞外マトリックスのモデルなどに使われる、と Sun らは述べています事実［参考資料4］。本稿は、材料としての構造と力学の説明にとどめ、医療・バイオ用途の個別の助言は書きません。細胞培養の足場、バイオインク、センサー用のハイドロゲルの詳細は、本シリーズの「ハイドロゲル」編（iPS細胞・再生医療／バイオセンサー分野）で扱っています。

医療に関わる規格の例として、ISO 18369-4:2017 は、コンタクトレンズの材料の物理化学的性質の試験方法（抽出、剛性レンズのたわみと破損、酸素透過性、屈折率、含水率）を定めています事実［参考資料20］。ASTM F2900 は「再生医療に使うハイドロゲルの特性評価の指針」で、論文が引張試験片の形状やレオロジー試験の根拠として引用しています事実［参考資料25］。いずれも用途を限った規格・指針で、一般のハイドロゲルの性能を保証するものではありません。

8. 評価・標準の読み方

ハイドロゲルの性能は、含水率（膨潤度）、弾性率、破断強度・破壊エネルギー、イオン伝導度で、エアロゲルは熱伝導率、密度、空隙率、比表面積、細孔径分布で評価します。熱伝導率は定常法（保護熱板法、熱流計法）やホットワイヤー法、ホットディスク法で、比表面積と細孔は気体吸着で測ります。 ただし、ゲルの力学・含水率・イオン伝導度を測る国際規格や JIS は確認できませんでした。エアロゲルは、断熱材の熱伝導率の規格と、粉体の気体吸着の規格が土台になります。

評価項目ISOIEC・IEEEJISASTM測定条件で値が変わる点
熱伝導率・熱抵抗（断熱材として）ISO 8301:1991「断熱材－定常状態の熱抵抗及び関連する特性の求め方－熱流計装置」［17］。ISO 8302:1991「…保護熱板装置」［18］（いずれも平板の試験片）。ISO 22007-2:2022「プラスチック－…第2部：過渡平面熱源（ホットディスク）法」［19］確認できなかったJIS A 1412-1「熱絶縁材の熱抵抗及び熱伝導率の測定方法－第1部：保護熱板法（GHP法）」（1999年制定、2016年改正、2021年確認）［23］。JIS A 1412-2「…第2部：熱流計法（HFM法）」（1999年制定、2021年確認）［24］エアロゲル断熱材を対象とした規格番号は確認できなかった温度、圧力（真空かどうか）、水分、厚み、試料の形態（モノリスかブランケットか）。Koebel らの例は、モノリスをホットワイヤー法、ブランケットを保護熱板法で測っている［2］
比表面積（BET）ISO 9277:2022「ガス吸着による固体の比表面積の求め方－BET 法」［15］確認できなかったJIS Z 8830「ガス吸着による粉体（固体）の比表面積測定方法」（1990年制定、2026年3月改正）［21］確認できなかった脱ガスの条件、吸着ガス、相対圧の範囲、試料の乾燥状態
細孔径分布・空隙ISO 15901-2:2022「固体材料の細孔径分布及び空隙率－水銀圧入法及びガス吸着法－第2部：ガス吸着によるナノ細孔の解析」（窒素・アルゴン 77 K・87 K で約0.45〜50 nm）［16］確認できなかったJIS Z 8831「粉体（固体）の細孔径分布及び細孔特性－ガス吸着によるナノ細孔の測定方法」（2024年制定）［22］確認できなかった吸着ガスと温度、孔の形のモデル、孔径の適用範囲（大きな孔は別の方法）
ハイドロゲルの含水率・力学ISO 18369-4:2017（コンタクトレンズ材料の物理化学的性質。含水率の試験を含む。用途を限る）［20］。一般のハイドロゲル向けの規格は確認できなかった確認できなかった確認できなかったASTM F2900：再生医療用ハイドロゲルの特性評価の指針（番号と題名のみ。論文が引用）［25］含水率（乾くと変わる）、試験片の形状と引張の速さ、緩和の時間、温度、イオン強度
イオンゲル・導電性ゲルの導電率確認できなかった確認できなかった確認できなかった確認できなかった電極との界面、温度、水分、測定の周波数

番号・題名・版は各団体の公式ページで確認した事実。ASTM は番号と題名のみで、非 ASTM の資料（論文の参考文献）で確認できたものに限りました。この表の整理は本稿の計算（本記事による並べ替え）です。

規格の読み方の注意

  • 断熱材の規格は「平板の固体」を想定しています。ISO 8301・8302 は平板の試験片が対象で、粒状や、真空で使う断熱材、湿潤ゲルは、そのままは当てはまりません。モノリス、ブランケット、粒状では測り方と試料の準備が違い、どの形態の値かを必ず見ます
  • メーカー公称の熱伝導率は、試験法・温度・圧力・版を併記して読みます。本稿が確認した値は研究室の報告で、市販品のデータシートの値ではありません。商品の値を使うときは最新のデータシートで条件を確かめてください
  • ゲルの値は、含水率で大きく変わります。引張・圧縮・導電率の値は、含水率や平衡の状態を示さないと比べられません。ISO 18369-4 や ASTM F2900 は用途を限ったものです（第7章）

9. 限界と、確認できなかったこと

(1) 規格の本文

ISO 8301・8302、ISO 22007-2、ISO 9277、ISO 15901-2、ISO 18369-4、JIS の本文は確認していません。試験条件、手順、合否の基準は記載していません。ASTM のサイトは開いておらず、ASTM F2900 は論文の参考文献で確認した番号と題名のみです。ASTM のエアロゲル断熱材の規格は、番号を確認できなかったため記載していません。

(2) 製品の性能

エアロゲル断熱材の製品のデータシートの熱伝導率は、本稿では確認していません（企業サイトに数値が見つかりませんでした）。第5章の値は Koebel らの総説が示した研究室の試料の値です。

(3) 吸着材・薬剤・生体用途の性能

エアロゲルの吸着量や、ハイドロゲルの生体内での挙動・安全性は、一次情報で確認していないため、数値や助言は書いていません。粉じんや取り扱いの安全性、規制（REACH、労働安全衛生など）も確認していません。

(4) 導電性ゲルの導電率

Yuk らの PEDOT:PSS ゲルの具体的な導電率は、要旨に数値がなく、本稿では確認していません。

(5) 時間と温度の依存

エアロゲルの熱伝導率の温度依存（高温の放射の寄与）、ハイドロゲルの長期安定性（乾燥、膨潤、劣化）は、一次情報で確認していないため記載していません。

この記事のまとめ
  • ゲルの性質は、網目の設計と溶媒の扱いで決まります。ハイドロゲルは網目の設計で、エアロゲルは乾かし方で、脆さや収縮を抑えます事実
  • ハイドロゲルは脆いのが弱点です。ふつうの破壊エネルギーは約10 J／m² ですが、ダブルネットワークやイオン・共有結合の網目で、100〜9,000 J／m² の報告があります。報告の試験法は違います事実／本稿の計算
  • エアロゲルの断熱は、孔の小ささが効きます。空気分子の平均自由行程（約67 nm）より孔（4〜20 nm）が小さく、Kn は約3〜17。研究室の報告で0.014〜0.017 W／(m・K) です本稿の計算／事実
  • 骨格はシリカだけではありません。ポリイミド、カーボン、グラフェンの骨格が報告されています事実
  • 評価の規格は、断熱材と気体吸着が土台で、ゲルの力学・導電率の規格は確認できませんでした。含水率・形態・温度を数字に添えて読みます

10. 用語集

ゲル
三次元の網目が液体を抱えた材料。
ハイドロゲル
液体が水のゲル。
ダブルネットワーク（DN）ゲル
硬く架橋の多い網目と、延びやすく架橋の少ない網目を重ねたゲル。
破壊エネルギー
亀裂が単位面積進むのに要するエネルギー（J／m²）。靱性の指標。
イオンゲル
高分子の網目にイオン液体を保持したゲル。
エアロゲル
ゲルの溶媒を気体に置き換え、網目と孔を保った多孔質固体。
キセロゲル
蒸発で乾燥して得た、収縮した乾燥ゲル。
超臨界乾燥
溶媒を超臨界状態にして抜き、毛管力を避ける乾燥法。
シリル化
表面のシラノール基をアルキル基などで置き換える処理。疎水化に使う。
クヌーセン数
気体分子の平均自由行程を孔の大きさで割った値。
BET 法
ガス吸着から比表面積を求める方法。
メソ孔
幅が約2〜50 nm の細孔。

11. 参考資料（一次情報）

  1. Kistler S. S. “Coherent Expanded Aerogels and Jellies”, Nature 127, 741 (1931), DOI 10.1038/127741a0（書誌のみ確認） — doi.org/10.1038/127741a0
  2. Koebel M., Rigacci A., Achard P. “Aerogel-based thermal superinsulation: an overview”, J. Sol-Gel Sci. Technol. 63, 315–339 (2012), DOI 10.1007/s10971-012-2792-9（Empa の公開版を確認） — dora.lib4ri.ch（Empa）
  3. Calvert P. “Hydrogels for Soft Machines”, Adv. Mater. 21, 743–756 (2009), DOI 10.1002/adma.200800534 — doi.org/10.1002/adma.200800534
  4. Sun J.-Y. ほか “Highly stretchable and tough hydrogels”, Nature 489, 133–136 (2012), DOI 10.1038/nature11409 — doi.org/10.1038/nature11409
  5. Gong J. P. “Why are double network hydrogels so tough?”, Soft Matter 6, 2583 (2010), DOI 10.1039/B924290B — doi.org/10.1039/b924290b
  6. Gong J. P. ほか “Double-Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength”, Adv. Mater. 15, 1155–1158 (2003), DOI 10.1002/adma.200304907 — doi.org/10.1002/adma.200304907
  7. Zhao X. “Multi-scale multi-mechanism design of tough hydrogels: building dissipation into stretchy networks”, Soft Matter 10, 672–687 (2014), DOI 10.1039/c3sm52272e（オープンアクセス） — doi.org/10.1039/c3sm52272e
  8. Taylor D. L., in het Panhuis M. “Self-Healing Hydrogels”, Adv. Mater. 28, 9060–9093 (2016), DOI 10.1002/adma.201601613 — doi.org/10.1002/adma.201601613
  9. Susan M. A. B. H. ほか “Ion Gels Prepared by in Situ Radical Polymerization of Vinyl Monomers in an Ionic Liquid and Their Characterization as Polymer Electrolytes”, J. Am. Chem. Soc. 127, 4976–4983 (2005), DOI 10.1021/ja045155b — doi.org/10.1021/ja045155b
  10. Lodge T. P. “A Unique Platform for Materials Design”, Science 321, 50–51 (2008), DOI 10.1126/science.1159652 — doi.org/10.1126/science.1159652
  11. Yuk H. ほか “3D printing of conducting polymers”, Nat. Commun. 11, 1604 (2020), DOI 10.1038/s41467-020-15316-7（オープンアクセス） — doi.org/10.1038/s41467-020-15316-7
  12. Meador M. A. B. ほか “Polyimide Aerogels with Amide Cross-Links: A Low Cost Alternative for Mechanically Strong Polymer Aerogels”, ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 1240–1249 (2015), DOI 10.1021/am507268c — doi.org/10.1021/am507268c
  13. Biener J. ほか “Advanced carbon aerogels for energy applications”, Energy Environ. Sci. 4, 656 (2011), DOI 10.1039/C0EE00627K — doi.org/10.1039/c0ee00627k
  14. Sun H., Xu Z., Gao C. “Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels”, Adv. Mater. 25, 2554–2560 (2013), DOI 10.1002/adma.201204576 — doi.org/10.1002/adma.201204576
  15. ISO “ISO 9277:2022″（第3版、2022年11月） — iso.org/standard/71014.html
  16. ISO “ISO 15901-2:2022″（第2版、2022年1月） — iso.org/standard/67586.html
  17. ISO “ISO 8301:1991″（第1版、2025年に再確認） — iso.org/standard/15421.html
  18. ISO “ISO 8302:1991″（第1版、2024年に再確認） — iso.org/standard/15422.html
  19. ISO “ISO 22007-2:2022″（第3版、2022年6月） — iso.org/standard/81836.html
  20. ISO “ISO 18369-4:2017″（第2版、2017年8月、2023年に再確認） — iso.org/standard/66341.html
  21. 日本産業標準調査会（JISC） “JIS Z 8830” 検索結果と詳細（制定1990/07/01、最新改正2026/03/23） — jisc.go.jp（JIS Z 8830）
  22. 日本産業標準調査会（JISC） “JIS Z 8831” 検索結果と詳細（制定2024/03/21） — jisc.go.jp（JIS Z 8831）
  23. 日本産業標準調査会（JISC） “JIS A 1412-1” 検索結果と詳細（制定1999/04/20、最新改正2016/08/22、最新確認2021/10/20） — jisc.go.jp（JIS A 1412-1）
  24. 日本産業標準調査会（JISC） “JIS A 1412-2” 検索結果と詳細（制定1999/04/20、最新確認2021/10/20） — jisc.go.jp（JIS A 1412-2）
  25. Baniasadi M., Minary-Jolandan M. “Alginate-Collagen Fibril Composite Hydrogel”, Materials 8, 799 (2015), DOI 10.3390/ma8020799（オープンアクセス。参考文献に ASTM F2900-11「Standard Guide for Characterization of Hydrogels used in Regenerative Medicine」を記載） — pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5455273

12. 主張と出典の対応表（監査）

本文の主張根拠区分
エアロゲルの出発点の論文の存在（Kistler 1931、書誌のみ）Crossref の書誌
出典1 https://doi.org/10.1038/127741a0		事実
エアロゲルの定義（超臨界乾燥）とキセロゲル、常圧乾燥の進歩、毛管力による収縮、超臨界乾燥がモノリスの王道であること、市販品は粒状かブランケット、シリカ密度0.08〜0.2 g／cm³・空隙率90%超・メソ孔4〜20 nm、Monsanto の歴史、熱の5つの寄与、クヌーセン、密度の最適点、モノリス0.015 W／(m・K)（0.13 g／cm³、ホットワイヤー法）、ブランケット0.014 W／(m・K)（0.1 g／cm³、保護熱板法）、透明な板約17 mW／(m・K)・透過率約90%、従来の断熱材0.030〜0.040、超断熱の境界0.025・0.020、真空断熱パネルの30年後0.007〜0.012、シリカの補強、親水性とシリル化・スプリングバック、押出ポリスチレンなどの孔の大きさKoebel ら（2012）の総説
出典2 https://www.dora.lib4ri.ch/empa/dload/empa:5435/PDF/view		事実
合成ハイドロゲルは一般に弱いが生体のゲル複合材は強いことCalvert（2009）の要旨
出典3 https://doi.org/10.1002/adma.200800534		事実
ハイドロゲルの用途、脆さ（破壊エネルギー約10 J／m²、軟骨約1,000、天然ゴム約10,000、アルギン酸は約1.2倍で破断、合成の一部は100〜1,000）、イオン・共有結合のゲル（含水約90%、20倍超の伸び、約9,000 J／m²、切り欠きで17倍、機構、結び直し）Sun ら（Nature 2012）
出典4 https://doi.org/10.1038/nature11409		事実
DN ゲルの構成（硬い骨格の第一の網目、延びやすい第二の網目）、含水約90 wt%、弾性率0.1〜1.0 MPa、引張1〜10 MPa（ひずみ1,000〜2,000%）、圧縮20〜60 MPa（ひずみ90〜95%）、引き裂き100〜1,000 J／m²、局所降伏の機構Gong（Soft Matter 2010）の要旨
出典5 https://doi.org/10.1039/b924290b		事実
最初の DN ゲルの報告（破断強度が数十 MPa）Gong ら（Adv. Mater. 2003）の要旨
出典6 https://doi.org/10.1002/adma.200304907		事実
強いハイドロゲルがエネルギー散逸と弾性の両方の機構を持つこと、複数の長さの階層で組み込む戦略Zhao（Soft Matter 2014）の要旨
出典7 https://doi.org/10.1039/c3sm52272e		事実
自己修復ハイドロゲルは強さと速い修復の両立が難しいこと、よく治るゲルほど速く治る傾向Taylor と in het Panhuis（Adv. Mater. 2016）の要旨
出典8 https://doi.org/10.1002/adma.201601613		事実
イオンゲル（MMA を EMITFSI 中でその場重合、自立・柔軟・透明、Tg の低下、室温のイオン伝導度約10⁻² S／cm）Susan ら（JACS 2005）の要旨
出典9 https://doi.org/10.1021/ja045155b		事実
イオン液体とブロック共重合体の組み合わせで複合材料の範囲が広がることLodge（Science 2008）の要旨
出典10 https://doi.org/10.1126/science.1159652		事実
PEDOT:PSS の3Dプリント用インクと、導電性の柔らかいハイドロゲルの微細構造への変換、神経プローブの試作Yuk ら（Nat. Commun. 2020）の要旨
出典11 https://doi.org/10.1038/s41467-020-15316-7		事実
ポリイミドエアロゲルの特性、BTC による架橋、弾性率・比表面積、分解開始温度の骨格依存Meador ら（2015）の要旨
出典12 https://doi.org/10.1021/am507268c		事実
カーボンエアロゲルの特徴（比表面積、電気伝導性）と応用（水素・電気エネルギー貯蔵、脱塩、触媒）Biener ら（EES 2011）の要旨
出典13 https://doi.org/10.1039/c0ee00627k		事実
CNT とグラフェンの全炭素エアロゲル（1,000 cm³まで、0.16 mg／cm³まで、−190〜900 ℃の超弾性）Sun ら（Adv. Mater. 2013）の要旨
出典14 https://doi.org/10.1002/adma.201204576		事実
ISO 9277:2022、ISO 15901-2:2022（適用範囲：窒素・アルゴン 77 K・87 K で約0.45〜50 nm、CO2）、ISO 8301:1991、ISO 8302:1991、ISO 22007-2:2022、ISO 18369-4:2017（含水率の試験を含む）の番号・題名・版・適用範囲ISO の標準ページ
出典15 https://www.iso.org/standard/71014.html
出典16 https://www.iso.org/standard/67586.html
出典17 https://www.iso.org/standard/15421.html
出典18 https://www.iso.org/standard/15422.html
出典19 https://www.iso.org/standard/81836.html
出典20 https://www.iso.org/standard/66341.html		事実
JIS Z 8830、Z 8831、A 1412-1、A 1412-2 の番号・題名・制定年月日・改正・確認日JISC データベース
出典21 https://www.jisc.go.jp/app/jis/general/GnrJISNumberNameSearchList?show&jisStdNo=Z8830
出典22 https://www.jisc.go.jp/app/jis/general/GnrJISNumberNameSearchList?show&jisStdNo=Z8831
出典23 https://www.jisc.go.jp/app/jis/general/GnrJISNumberNameSearchList?show&jisStdNo=A1412-1
出典24 https://www.jisc.go.jp/app/jis/general/GnrJISNumberNameSearchList?show&jisStdNo=A1412-2		事実
ASTM F2900-11「Standard Guide for Characterization of Hydrogels used in Regenerative Medicine」が論文の参考文献に挙げられ、引張試験片の形状とレオロジーの根拠として引用されていること（ASTM のサイトは参照していない）Materials 8, 799（2015）ほか（非 ASTM の公開資料）
出典25 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5455273/		事実
破壊エネルギーの比（約900倍、軟骨比約9倍、ゴム比約0.9倍、DN ゲルで約10〜100倍）、イオンゲル膜の面積抵抗（100 µm で1 Ω・cm²）、シリカの空隙率（約96%・94%・91%）、空気の平均自由行程（約67 nm）とクヌーセン数（約3.3〜17）、0.16 mg／cm³ の空気比（約0.13）、規格対応表の整理本稿の計算。前提・限界は各所に明記（骨格密度2.2 g／cm³、分子直径0.37 nm、空気密度1.2 kg／m³の仮定など）本稿の計算
規格の本文、ゲルの力学・含水率・導電率を測る一般の規格、エアロゲル断熱材の ASTM 規格、製品のデータシートの熱伝導率、吸着量、生体内の挙動・安全性、粉じんと規制、PEDOT:PSS ゲルの導電率、エアロゲルの高温の熱伝導率、ハイドロゲルの長期安定性本稿の調査範囲でアクセスできた一次情報では確認できなかったため記載していない解説
「ハイドロゲルを強くする鍵は壊れ方の設計」「ゲルの導電性は何が電荷を運ぶかで三つに分かれる」「エアロゲルの断熱は密度の最適点と放射の取り合い」「エアロゲルの測定は前処理に左右される」という読み取り。図3の乾燥の経路の整理公表内容にもとづく本記事の整理・解説。各機関・企業が表明した見解ではない解説
図2・図3・図4・図5が実際の観察像・実データではなく説明のための作図であること。図1と図6がAI生成イメージであること本記事による注記解説

最終更新：2026年10月10日／出典は一次情報（査読論文、Koebel らの総説、規格団体のページ）に限定しています。規格の本文は有料のため確認できていません。ASTM International のサイトは参照していません。 構造の整理や材料設計上の読み取りを含むため、それらは「解説」として出典付きの事実と区別しています。 規格の本文、ゲルの力学・含水率・導電率を測る一般の規格、製品のデータシートの熱伝導率、吸着量、生体内の挙動・安全性、規制、エアロゲルの高温の熱伝導率については、確認できなかったため記載していません。 破壊エネルギー・熱伝導率・導電率の数値は特定の試料・試験条件の結果であり、他の試料や製品に一般化できません。医療・バイオ用途の助言は書いていません。 図はすべて説明用の概念図です。図2・図3・図4・図5はベクター作図、図1と図6はAI生成イメージであり、いずれも実際の断面写真・顕微鏡像・製品の実物を示すものではありません。