Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

コロイド / ナノ粒子 / 高分子 / 自己組織化 / 分子動力学 / 結晶 / 相転移 / ソフトマテリアル / ゆらぎ / ゲル

フォトニック結晶の分野では、自発的に形成される様々な結晶構造を実現するためのフレームを開発することが中心的な課題の1つとなっている。特に簡単な方法として、コロイド結晶を用いる方法があるが、コロイド結晶のバリエーションは限られており、その構造は壊れやすい。そこで、本研究では強靭な結晶構造を形成する可能性を持つPGNPに着目する。具体的には、本研究では高分子グラフトナノ粒子（PGNP）の多形構造を予測し、フォトニック結晶としての可能性を開くための強力な理論的枠組みを提供することである。このテーマは、これまでにも多くの実験的・理論的研究が行われてきた。本年度は、PGNPの結晶多形について、主に粗視化分子動力学シミュレーションを用いて検証した。その結果、以下のような結果を得ることができた。（1）グラフトポリマーの鎖長やグラフト密度によって分子間相互作用が複雑に変化し、調整できることを明らかにした。特に、低体積分率では、PGNPは様々な超構造に自己組織化することが可能であった。（2）PGNPが高体積分率でバルク状態に相当する様々な結晶構造を示すことを明らかにし、フォトニック結晶として理想的な構造の一つであるダイヤモンド構造への到達の方向性を示した。（3）今回の結果は、粗視化分子動力学シミュレーションでPGNPsの結晶相転移を直接観察した初めての事例となった。今後のPGNPsの結晶多形研究にとって重要な方法論になると考えられる。

イオン液体 / ゲル / ソフトマテリアル / 自律性 / 自己集合 / ブロック共重合体 / ソフトアクチュエータ / 自己修復材料 / 炭酸ガス分離膜 / コロイド / 溶媒和 / 自己組織化

高分子ゲル・コロイドなどのソフトマテリアルは、その構成成分のほとんどが液体である。このことが物質内の大きな内部自由度を生み、外部刺激の微細な変化に応答して的確に機能するスマートマテリアルとしての期待も大きい。本研究では、これらソフトマテリアルの自律性は液体の構造形成性にその根源があるとの視点から、液体としてイオン液体を選択し、自律性に及ぼす液体の構造形成性・階層性の影響を明らかにすることを目的とした。その結果、イオン液体を溶媒に用いた自律性を持つ新しいソフトマテリアルという新しい物質・材料系を提案することが出来た。

イオン液体を用いたソフトマテリアルの研究に関しては、世界的にみてもこのように系統的に研究を進めているグループは他に無い。従って本研究は、学術的には極めて独創的であると同時に世界的にもこの領域の研究を牽引するものである。本研究の遂行により、イオン液体を溶媒に用いたソフトマテリアルという新しい物質系の基礎が確立され応用の萌芽が生まれると期待され、その意義は極めて大きい。

表面・界面物性 / コロイド / 非平衡 / 非線形 / 自己組織化 / 自己集積 / ミセル / ゲル / 石鹸

本研究テーマは、自発的界面張力変動が生じる物質の特定を、本変動現象の解明と共に行うことである。本研究の大きな成果として、(1)飽和ヨウ化カリウム・ヨウ素ニトロベンゼン溶液/カチオン性界面活性剤水溶液系の、クロロベンゼン添加による自発界面変動現象が解明(2)飽和NaClおよびZnCl2ニトロベンゼン溶液/1mMトリメチルステアリルアンモニウムクロリド水溶液系、すなわちヨウ素を使わない系での自発変動の発見の2つがある。
本研究課題を通じてヨウ素系・非ヨウ素系双方の変動機構が解明できた結果、ニトロベンゼンやヨウ素を使用しない、無害な材料を利用して活発な自発界面変動現象を得られる可能性が生まれてきた。すなわち、1)水との界面張力が大きく、2)イオン性界面活性剤の対イオンが界面を移動しにくいような油相を選択すればよいことになる。今後は、そのような油相を系統的に調査するとともに、その結果得られた力学エネルギーを電気エネルギーに変換する系の構築に取り組みたいと考えている。

【研究分担者】
獨古薫	横浜国立大学	大学院工学研究院	教授	(Kakenデータベース)
吉田亮	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	教授	(Kakenデータベース)