π共役高分子の合成とポリマー1分子の光機能創出

• Project/Area Number: 15685007
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Polymer chemistry
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 篠原 健一 北陸先端科学技術大学院大学, 材料科学研究科, 助教授 (10292244)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥27,430,000 (Direct Cost: ¥21,100,000、Indirect Cost: ¥6,330,000); Fiscal Year 2005: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2004: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2003: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000)
• Keywords: 高分子化学 / 機能性高分子 / π共役高分子 / 1分子 / イメージング / 超分子 / 原子間力顕微鏡 / 近接場光学顕微鏡 / ポリマー1分子 / キラルらせん / 多様性 / 1分子イメージング / 高速AFM / ブラウン運動 / 熱ゆらぎ

Research Abstract

ポリマー1分子の構造と機能を直接観測することが出来れば、仮定や推測を最小限に抑えることが可能になり、最も明確にポリマーの構造と機能の相関関係を議論できる。これにより、高分子の本質を深く理解することができ、ひいては分子デバイスの創製に発展すると考えた。本研究課題では、数有る合成高分子の中でも特に光機能や電子機能を有する機能性高分子である、π共役ポリマーの1分子構造と機能の「しなやかさ」に着目して研究を展開し、以下の実績を上げた。
キラルらせんπ共役高分子であるポリ(置換フェニルアセチレン)のポリマー1分子鎖のキラルらせんに基づく高次構造の走査トンネル顕微鏡(STM)による直接観測で右巻きのキラルな4次構造の存在は既に明らかにしているが、さらに今回、キラルらせんπ共役ポリマー1分子の導電性イメージングに成功し、基板表面に直接吸着したポリマー1分子の高い電子伝導性を発見した。そしてポリマー1分子の基板表面との相互作用と電子状態を考察することが出来た。「しなやか」なポリマー特有の多様な構造と電子伝導が明らかになった。
次に、発光高分子鎖の構造と機能の同時イメージングを実現した。新しい顕微鏡の開発と観測の結果として、分子間相互作用で連結された超分子π共役ポリマー鎖のネットワーク構造が示した、マイクロメートルオーダーの長距離相互作用発光現象を発見した。「しなやか」なポリマーであるからこそ容易に形成可能なネットワーク構造に基づくポリマーの新しい発光現象であり、この研究成果は国際学術誌の表紙を飾った。
最後に、キラルらせんπ共役高分子鎖1本の有機溶媒(n-オクチルベンゼン)中における動態のイメージングに成功した。この動態が熱ゆらぎに基づくミクロブラウン運動であること明らかにした。すなわち、変位を解析した結果、高分子1本鎖内の観測点の1次元変位の自乗平均が時間に1次比例し、アインシュタインのブラウン運動の法則<x^2>=2Dtに従ったことからこれを証明した。ある観測点の高分子鎖末端の速度は平均67nm/sと計測された。紐状構造体の大きさは、計算された分子モデルからの値とほぼ一致したことから、観測された構造体はポリマー1分子であると結論した。幾つかの分子を同時に観測すると、それらは同期することなくランダムに運動「ブラウン運動」していることが分かった。1分子で自己凝集しているポリマーが変形したり、環状に屈曲していた1分子が伸びきり鎖状態に変形する運動などが直接イメージングできた。即ち、π共役高分子鎖1本の「しなやかさ」を明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Simultaneous Imaging o Structure and Fluorescence of a Supramolecular Nanostructure formed by a Coupling of π-Conjugated Polymer Chains in the Intermolecular Interaction (2006)
  • Author(s): Ken-ichi Shinohara, Tasuku Suzuki, Takeshi Kitami, Shingo Yamaguchi
  • Journal Title: J.Polym.Sci.Part A : Polym.Chem. 44 Pages: 801-809
• [Journal Article] Direct observation of single molecules in a π-conjugated polymer : Fabrication and Single Molecular Imaging of Water-soluble π-Conjugated Polymer linked by Intermolecular Interaction using Atomic Force Microscope (2005)
  • Author(s): Naoto Kajita, Ken-ichi Shinohara
  • Journal Title: Polymer Preprints, Japan 54(1) Pages: 467-467
• [Journal Article] Direct observation of single molecules in a π-conjugated polymer : High-speed AFM imaging of single molecules in a chiral helical π-conjugated polymer (2005)
  • Author(s): Ken-ichi Shinohara, Noriyuki Kodera, Toshio Ando
  • Journal Title: Polymer Preprints, Japan 54(1) Pages: 1585-1585
• [Journal Article] Direct observation o single molecules in a π-conjugated polymer : Imaging of electric conductivity of single chain in a chiral helical π-conjugated polymer (2005)
  • Author(s): Masami Nishida, Kouichi Nakamae, Ken-ichi Shinohara
  • Journal Title: Polymer Preprints, Japan 54(1) Pages: 1586-1586
• [Journal Article] Direct observation o single molecules in a π-conjugated polymer : High-speed AFM imaging of single molecules in a chiral helical π-conjugated polymer (2005)
  • Author(s): Ken-ichi Shinohara, Noriyuki Kodera, Toshio Ando
  • Journal Title: Polymer Preprints, Japan 54(2) Pages: 3822-3823
• [Journal Article] Direct observation o single molecules in a π-conjugated polymer : Imaging of structure and electric conductivity in a chiral helical π-conjugated main-chain (2005)
  • Author(s): Ken-ichi Shinohara, Kouichi Nakamae
  • Journal Title: Polymer Preprints, Japan 54(2) Pages: 4470-4471
• [Journal Article] Direct Measurement of a Structural Diversity in Single Molecules of a Chiral Helical π-Conjugated Polymer (2004)
  • Author(s): Ken-ichi Shinohara, Takeshi Kitami, Kouichi Nakamae
  • Journal Title: J.Polym.Sci. Part A : Polym.Chem. 42 Pages: 3930-3935
• [Journal Article] Synthesis of Chiral Helical Poly{p-(oligopinanylsiloxanyl)phenylacetylene}s and Enantios elective Permeability of Their Membranes (2004)
  • Author(s): Toshiki Aoki, Tomoyuki Fukuda Ken-ichi Shinohara, Takashi Kaneko, Masahiro Teraguchi, Masayuki Yagi
  • Journal Title: J.Polym.Sci. Part A : Polym.Chem. 42 Pages: 4502-4517
• [Book] 高分子鎖1本のサイエンス[みる・はかる](高分子学会編) (2005)
  • Author(s): 篠原 健一 (他5名)
  • Total Pages: 212
  • Publisher: NTS (Tokyo)
• [Publications] Ken-ichi SHINOHARA, Noriyuki KODERA, Toshio ANDO: "Direct observation of single polymer chains : High-speed AFM imaging of single molecules in a chiral helical π-conjugated polymer in a solution"Polymer Preprints, Japan. 52. 786 (2003)
• [Publications] Ken-ichi SHINOHARA, Noriyuki KODERA, Toshio ANDO: "Direct observation of single molecules in a π-conjugated polymer : Imaging by a High-speed AFM"Polymer Preprints, Japan. 52. 3025 (2003)
• [Publications] 篠原 健一: "ポリマー1分子の直視:発光高分子1本鎖の構造と機能のイメージング"オプトニューズ. 67 (2003)
• [Publications] 篠原 健一: "ポリマー1分子の直視:π共役高分子主鎖1本の分子構造と光機能のイメージング"高分子加工. 52. 106 (2003)