【研究領域課題番号】20K05623 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2025-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】19K15629 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光加工性 / ポリマーネットワーク材料 / 発光 / 微細加工 / ゲル / π共役化合物 / 光加工性材料 / 光機能 / π共役分子 / 光分解 / 発光材料 / 光加工 / ソフトマテリアル / 弾性率 / 光加工材料 / 金属アセチリド錯体 / 光物性

【研究成果の概要】

本研究では、白金錯体を架橋剤とするポリマーネットワーク材料を合成することで、光照射に対して安定な材料でありながらも、第二の刺激としての酸試薬の存在下では光加工性を示す材料を実現した。光と酸の協働的な反応によって材料のマクロ物性を制御し、光成形性、光脱着性を示すことが明らかとなった。さらに、本材料は本質的に光に安定であるため、光反応性を獲得しつつ、第二の刺激を除去した後、光機能の１つである発光性を両立する材料であることが示された。

【研究の社会的意義】

光加工材料は材料をマイクロスケールで加工するための有用な技術であるものの、材料が光に不安定という本質的な問題点を抱えている。そのため紫外光によって材料が容易に変性するなど、材料を長期利用することが困難とされてきた。対して本研究は、加工時には光ともう一つの刺激を用いたデュアルアクティベーションによって光加工を行いつつ、加工後は片方の刺激を除去することによって、環境光に対する安定性や光物性を並立可能であった。これらは幾何的に複雑な延伸性や微細光特性を材料中に付与し、材料機能の高次元化を実現することが期待される。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15H05758 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究の社会的意義】

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。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2015-05-29 - 2020-03-31

【配分額】201,890千円 (直接経費: 155,300千円、間接経費: 46,590千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15H02198 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子ゲル / 機能性材料 / 自励振動 / 自己組織化 / 生体模倣 / ソフトマテリアル / 非平衡ダイナミックス / 自律性 / 高分子 / ゲル / 生体材料 / 自律機能 / 生体機能材料

【研究成果の概要】

生体の種々の自己組織化現象の化学モデルにもなっている振動反応（BZ反応）をポリマーネットワークの周期的体積変化や力学物性変化に変換することにより、心筋のように外部刺激のon-offなしに自ら周期的な膨潤収縮振動を起こす自励振動ゲルを開発した。高分子鎖の伸縮振動、ミセルやベシクルの凝集崩壊振動やそれに伴うゾルゲル振動、バルクゲルの体積振動や蠕動運動など、様々な階層スケールでの自励振動現象を発現することに成功した。人工繊毛、人工アメーバ、人工細胞、人工心筋、人工輸送管、自律駆動ソフトアクチュエータ（ソフトロボット）など、自律的な機能を発現する革新的なバイオミメティック材料への展開が期待される。

【研究の社会的意義】

自励振動ゲルは、ゲル研究分野において唯一、"外部刺激のon-offなしに自ら膨潤収縮振動を起こす”独創的なゲルである。学術的にも、生体の自己組織化現象の化学モデルにもなっているBZ反応を、ポリマーネットワークの周期的体積変化（力学変化）に変換し、機能性材料設計に応用した世界でも最初の研究でもある。ゲルの機能性材料としての新しい可能性を提唱し、散逸構造を利用した自己組織化４次元マテリアルとしての新しい学理を築いた研究として高分子科学、材料科学、非平衡科学等の分野で先導的な役割を果たした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,340千円 (直接経費: 31,800千円、間接経費: 9,540千円)