Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

液晶 / 自発的ナノ構造 / 空間閉じ込め / ナノ構造液晶 / 自発的構造形成 / 光デバイス / 構造柄制御 / メゾスコピック構造 / ナノ構造 / 自発構造形成 / 構造制御

液晶は流動性があり方向秩序のない液体と、周期的な構造を持つ結晶の中間に存在する両者の特徴を兼ね備えた状態である。液晶ディスプレイに用いられているネマチック液晶以外に、多くの液晶が存在し、それらの中には、ミクロン以下の周期構造を持つナノ周期構造液晶と呼べる一群が存在する。ナノ周期構造液晶はネマチック液晶とは異なる電場応答し、高性能ディスプレイへの応用が期待できるが、そのままでディスプレイを作ることができない。本研究ではナノ周期構造液晶の詳細と界面との相互作用を明らかにした上で、微小な空間に閉じ込めて界面による構造制御をおこない、液晶単体では実現できない構造の作製と制御をおこなった。

液晶 / 結晶 / 自己組織化 / ナノ相分離 / イオン液体 / イオン輸送 / 刺激応答 / 分子認識 / ナノ構造 / イオン輪送

液体のような流動性と結晶のような秩序構造を兼ね備えた液晶の特徴をうまく活用することにより、リチウムイオン電池の電解質としての応用が期待されるイオンを高効率で輸送する新しいナノ材料を開発した。分子の形と分子間相互作用をデザインし、有機化学合成を駆使することで、一次元から三次元のナノイオンチャンネル構造を形成する機能性液晶材料を創製した。

イオン性液体 / 液晶 / 超分子 / 自己組織化 / ナノ相分離 / 異方性 / イオン輸送 / 物質輸送 / イオン液体 / 超分子化学 / ナノ構造

高機能材料の構築において、分子の自己組織化プロセスの活用が注目を集めている。中でも、分子が動的な秩序構造を自発的に形成する液晶は、イオンや電子を異方的に輸送する場として極めて有用である。本研究では、イオン液体などのイオン性分子の液晶化と配向制御による高機能イオン輸送材料の構築を目的とした。イミダゾリウム型イオン液体のカラムナー液晶化と高分子フィルム化、スピロピラン誘導体のカラムナー液晶化により、新しい一次元イオン伝導体を開発したので以下に示す。
(1)一次元イオン伝導性高分子フィルム
重合性アクリル基を有する扇形分子構造のイミダゾリウム型イオン性液体を設計・合成した。この分子は20〜50℃までヘキサゴナルカラムナー液晶性を示した。アミノ基修飾ガラス基板上でのカラム構造の均一垂直配向を達成した。また、機械的なせん断力の印加により、基板上でカラム構造を水平配向させることにも成功した。液晶状態の試料に紫外線照射するととにより重合を行なったところ、カラムの均一な配向殊序が固定化された高分子フィルムが得られた。カラム軸に平行な方向のイオン伝導度は、垂直な方向のイオン伝導度よりも高く、100℃において約1500倍の異方性を示した。
(2)カラムナー液晶性スピロピラン誘導体
扇形分子構造のスピロピラン誘導体を設計・合成した。この分子単独では、非液晶性であるが、4-メチルベンゼンスルホン酸やメタンスルホン酸などの酸性分子を導入することにより、イオン性のメロシアニン構造へと異性化させ、カラムナー液晶性を発現させることに成功した。ガラス基板上でこのカラムナー液晶に機械的なせん断力を畑えたところ、カラム構造を基板表面に対して水平に一軸配向させることができた。くし形金電極付きガラス基板を用いて、配向させたカラムナー液晶のカラム軸に平行および垂直方向のイオン伝導性を測定した。液晶状態では、カラム軸方向の伝導度は垂直方向よりも高い値を示した。

イオン性液体 / 液晶 / 超分子 / 自己組織化 / ナノ相分離 / 異方性 / イオン輸送 / 物質輸送 / ナノ構造

分子の自己組織化を利用して、階層的な秩序構造を有する高機能性材料を構築していくことは、21世紀の重要な研究課題の一つである。特に、電子・イオン伝導性を有する有機材料は分子デバイス・情報材料・エネルギー材料への展開が期待されている。この中で、我々は、高イオン伝導性を示す有機溶融塩であるイオン性液体に着目した。本研究では、イオン性液体の構成部位となっているイミダゾリウム塩を液晶の自己組織化能を利用して多様な秩序を持たせて配列させ、低次元でイオンを異方的に輸送する材料を構築することを目的とした。イミダゾリウム塩を液晶誘導体化することにより、2種類の異方的イオン伝導材料が得られたので以下に示す。
(1)1次元イオン伝導性カラムナー液晶
親油性基およびイミダゾリウム基からなるブロック構造を有する扇状分子を設計・合成した。この分子は室温を含む幅広い温度範囲でカラムナー液晶性を示した。液晶相では、イオン性部位がナノ相分離によりカラムの内側に自己組織化することがわかった。カラムナー液晶に機械的なせん断を印加することにより、カラム構造をマクロスコピックなスケールで均一に配向させることに成功し、異方的な1次元イオン伝導性を温度の関数として初めて測定した。
(2)2次元イオン伝導性高分子フィルム
異方的イオン伝導構造を自己組織化により形成した場合、刺激により構造の変化しない安定な材料が必要な場合がある。そこで、メタクリル基を導入したスメクチック液晶性イミダゾリウム塩を合成した。これらの分子はスメクチックA相において、ガラス基板上で自発的にホメオトロピック配向したモノドメイン構造を形成した。この配向した液晶を光重合することにより、層状ナノ構造を有する自立性高分子フィルムが得られた。これらのフィルムは異方的な2次元イオン伝導性を示した。

【研究分担者】
吉尾正史	東京大学	大学院・工学系研究科	助教	(Kakenデータベース)
西村達也	東京大学	大学院・工学系研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
吉尾正史	東京大学	大学院工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
吉尾正史	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)