【研究領域課題番号】18K05230 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液晶 / 高分子 / 自己組織化 / ブルー相 / 高分子膜 / 液晶高分子 / 超分子 / 高分子材料

【研究成果の概要】

本研究では、キラル構造を有する液晶のなかでも特に強いらせん誘起力によって形成するブルー相と呼ばれる特異な液晶構造を有する機能性高分子の開発を目的とした。まず、安定的にネマチック液晶を形成する重合性液晶を新たに開発した。これにキラル剤を複合化した上で温度を精密に制御することによりにブルー相を発現させ、光重合することによりブルー相の構造を固定化・高分子化した。また水素結合性の超分子液晶系へと展開し、安定的にネマチック相を発現する重合性超分子液晶系を開発した。得られた重合性超分子液晶をベースにブルー相を発現させ、ブルー相構造を有する超分子液晶の高分子膜化にも成功した。

【研究の社会的意義】

ブルー相構造と高分子に関するこれまでの研究はディスプレイ材料を志向したものが多く、本研究で利用した強い分子間相互作用はディスプレイにおいては電場応答の障害となるため、研究例自体が少なかった。また超分子ブルー相の研究でもブルー相の温度範囲を広げることを主観としており、分子認識用として利用する本研究は、新規性が高い。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】ナノ構造化学

【研究領域課題番号】17H01034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子自己集合 / シングルドメイン / ソフトマター / 液晶 / 高分子材料 / 分子集団運動 / 音波浮遊 / 反応場 / 自己組織化 / X線構造解析

【研究成果の概要】

分子凝縮相に関する既存概念では説明できない性質を示す構造、相挙動、および分子集団運動を示す、複数の新たなソフトマターを発見した。特に、加熱溶融して冷却するだけで、液滴のような形状でありながら単結晶様構造を形成し、見かけ上三次元構造規則性を保持したまま流動するキラル分子集合体を見いだし、さらに分子のキラリティーと集団運動の相関に関する新知見も得た。分子自己集合場の開発においては、音波浮遊装置を開発し、これを用いた分子集合場の設計により、液晶や高分子をミリメートルサイズのシングルドメイン構造体へと集積化する方法論を確立した。この音波浮遊場は新たな化学反応場としても有効に活用できることも見いだした。

【研究の社会的意義】

本研究で得られた成果は、低分子から高分子を構成要素とするソフトマターの構造化現象や物理化学に関する、これまでの常識をアップデートする新知見を提供するとともに、実応用上も高機能材料開発にとって重要な、「微子的なドメイン境界を含まず、巨視的スケールで一様な構造を有する材料をいかに構築するか？」という課題解決のための端緒を与える。明確な学術的な意義とともに、応用的観点からも今後、バルク状態の物性ばかりでなく、薄膜や表面・界面などで機能する新しいソフトマター設計の新概念や新合成法に通じる、インパクトある成果が得られたと考えている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15H02179 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハイブリッド材料 / 自己組織化 / バイオミネラリゼーション / 結晶成長 / コロイド粒子 / 液晶 / アモルファス / ヒドロキシアパタイト / 無機有機融合材料 / 複合材料」 / 機能性高分子 / 融合マテリアル / 分子制御 / 有機無機複合材料 / 液晶高分子 / 炭酸カルシウム

【研究成果の概要】

水溶性高分子によって安定化した無機結晶のアモルファス前駆体の結晶化を、高分子基板で制御することにより、形状や配向を制御したヒドロキシアパタイトや酸化亜鉛の薄膜結晶を作製する手法を開発した。また、アモルファス無機粒子を異方的なコロイド結晶へと制御して変化させることにより、世界初となる炭酸カルシウムやヒドロキシアパタイトの液晶化にも成功した。さらに高分子ゲルと無機結晶を精密に複合化することにより、透明なアモルファス構造やらせん構造を有する無機／有機融合材料を得た。

【研究の社会的意義】

高分子の相互作用を利用することにより、生体親和性や生分解性の高い炭酸カルシウムやリン酸カルシウム、あるいは光機能性の酸化亜鉛などの結晶化を温和な条件下において制御する様々な手法を構築した。炭酸カルシウムやリン酸カルシウムの液晶化は世界初という学術的な価値だけでなく、低環境負荷であるこれらの素材から常温・常圧のプロセスにより機能性材料を作製するという環境・資源問題に資する社会的意義のある成果を達成している。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】30,420千円 (直接経費: 23,400千円、間接経費: 7,020千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】26810112 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液晶高分子 / ブルー相 / キラル液晶 / 自己集合 / 液晶 / 高分子材料 / 液晶ブルー相 / 自己組織化 / 機能性材料 / 複合材料

【研究成果の概要】

液晶の自己組織化ナノ構造を活用した規則構造を有する高分子材料は様々な機能性材料となることが期待される。本研究では、ブルー相構造規則構造を形成する液晶高分子および超分子液晶を開発した。新規に開発した重合性ネマチック液晶および超分子ネマチック液晶にキラル剤を添加することにより、ブルー相を発現させた。さらに重合性のブルー相について光重合を行うことにより、安定なブルー相構造を有する高分子膜を作製した。得られたブルー相構造を有する高分子の構造を調べ、キラル剤の濃度の効果を検証した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】23688020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / 自己組織化 / 液晶 / エアロゲル / 透明 / ナノセルロース / ナノファイバー / 断熱 / セルロースナノファイバー / ゲル

【研究成果の概要】

水中分散したセルロースミクロフィブリルは，自己配列して液晶性を示す。我々は、この液晶性ミクロフィブリル分散液に、希酸を滴下するという簡便な処理で、ミクロフィブリルの自己組織化配列を固定化するプロセスを確立した。その結果、濃度０．１％（水分９９．９％）でも自立する超高弾性率ヒドロゲルや、透明で強靭なエアロゲルを調製することに成功した。特にエアロゲルは、極めて低い熱伝導率を示し、高性能な新規断熱材としての応用展開が期待される。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】26,910千円 (直接経費: 20,700千円、間接経費: 6,210千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】23245030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

構造・機能材料 / 液晶 / 自己組織化 / 超分子化学 / ナノ材料 / 電子・電気材料 / 分子集合体

【研究成果の概要】

本研究プロジェクトでは、新しい電荷輸送性液晶物理ゲルの開発に焦点をあて、次に示す電子活性自己組織化材料を構築した：（１）スルホニル基の双極子相互作用による一次元組織化を活用した電場配向性カラムナー液晶の開発、Ｘ字分子構造を有するピレンオリゴチオフェン共役カラムナー液晶／水素結合性自己組織化ファイバーからなるホール伝導性液晶物理ゲルの創製およびメカノクロミック発光材料の構築、（３）磁性およびレドックス活性を示す安定有機ラジカル部位を有するアミノ酸誘導体の自己組織化ファイバーの開発と配向制御。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】19205017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2010

【配分額】40,040千円 (直接経費: 30,800千円、間接経費: 9,240千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】17350065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】7,400千円 (直接経費: 7,400千円)

【研究分野】機能物質化学

【研究領域課題番号】15350077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)

【研究分野】高分子合成

【研究領域課題番号】12650864 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素結合 / 液晶 / 葉酸 / 自己組織化 / ディスコチック相 / スメクチック相 / イオン-双極子相互作用 / 自己集合 / スメクチック / イオンー双極子相互作用 / ディスコチック

【研究成果の概要】

生体分子の水素結合性は,分子組織体の形成において良いモデルとなる.生体分子である葉酸はビタミンの一種であり,そのアルカリ金属塩は,プテリン環部位が水中で水素結合を介してテトラマーを形成し,リオトロピック液晶性を示す.本研究では,このような葉酸の自己組織性に注目し,新規水素結合性超分子液晶の開発を行った.まず,葉酸にサーモトロピック液晶性を付与することを目的とし,グルタミン酸部位に3,4-ジアルキルオキシフェネチル基を導入した.得られた化合物のサーモトロピック液晶性を評価したところ,側鎖の長さにより異なる液晶性を示すことがわかった.例えばヘキシル基あるいはウンデシル基を有するものではスメクチック相,オクタデシル基を有するものはディスコチック相を示した.IR測定により,このような違いは,葉酸のプテリン部位がリボン状あるいはディスク状と異なる水素結合パターンで集合したためであることがわかった.分子集合構造はX線測定により解析した.
ついで,得られた葉酸誘導体の環境応答性材料への展開を目指し,リボン状に集積している葉酸誘導体にアルカリ金属塩を添加し,イオン-双極子相互作用による集合形態変化の誘起を試みた.その結果,葉酸誘導体1モルに対し,ナトリウムトリフラートを0.5モル以上添加した複合体は,広い温度範囲でヘキサゴナルカラムナー相を示した.集合形態がリボン状からディスク状へと変化したためである.さらにこのような変化はドデカンの添加によっても誘起できることがわかった.葉酸誘導体は,イオンあるいは環境という刺激により,集合形態が変化する環境応答性材料となることがわかった.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】4,100千円 (直接経費: 4,100千円)