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MOFとの複合による力学特性に優れた新規高分子ネットワーク材料の創製

Research Project

Project/Area Number 21J12230
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 35020:Polymer materials-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

飯塚 知也  東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords多孔性金属錯体 / 長鎖高分子 / 貫通複合体 / ホスト / ゲスト / ポリロタキサン / 超長鎖高分子
Outline of Research at the Start

本研究は多孔性金属錯体(MOF)へのゲスト分子の包接を利用して高分子を三次元的に架橋した新規高分子複合材料の創製を主たる目的とする。MOFは低分子だけでなく高分子のゲストをもそのナノ細孔へと包接することが知られる。そこでMOF結晶のオーダー以上の長い高分子をMOFへ包接させることにより、MOFが高分子同士を架橋したネットワーク構造を構築する。この材料に歪みを印加した場合、高分子鎖が応力を分散するようMOF細孔に沿って自由に動くことで強靭な力学特性を示すことが期待される。さらに、MOFに外場への応答性などの機能を付加することで、優れた力学特性と機能性を両立した新規高分子材料の開発へと展開する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続き、新規材料創成へ向けた基礎的知見として、多孔性金属錯体 (MOF) の一種でゲスト分子の包接に伴い構造変化(開孔)する性質を有する[Cu2(bdc)2(bpy)]n (1) に対する長鎖ポリエチレングリコール (PEG) の浸入現象に関して調べた。その結果、長鎖PEGの包接に伴う1の開孔は、溶融状態のPEGとの共存下では非常に遅い一方、1と長鎖PEGの混合溶液から加熱下で溶媒を留去することで迅速な1の開孔が誘起された。したがって溶媒等の共存により高分子鎖の拡散速度を向上させることがMOFと長鎖高分子の包接複合体を合成する上で重要であることが分かった。
得られた包接複合体は溶媒中において数百μm程度の大きな構造を有することを粒度分布測定により確認した。またこの複合体のAFM観察において基板上で1の粒子同士が緩く凝集する様子や、1の粒子近傍に長鎖PEGの結晶が存在する様子が見られた。以上はこれまでの実験結果と合わせ、MOFの粒子サイズを上回るPEG鎖が複数のMOF粒子を貫通・架橋したポリロタキサン様の構造が形成されていることを強く示すものである。
さらに1と長鎖PEGを用いて複合体フィルムを作製し引張試験を行った。常温ではPEG単体のフィルムと比べ複合体フィルムの引張弾性率・引張強度がそれぞれ50%、30%程度向上していた。一方でPEGの融点を超える温度で引張試験を行った場合、複合体フィルムはPEG単体よりも低い弾性率を示すことが分かった。これは比較的高温においては長鎖高分子鎖がMOF細孔内をスライドする運動による応力緩和が生じている可能性を示すものであると考えている。
加えて本年度は高分子鎖の包接によってMOF結晶の機械的な安定性が大きく向上すること、高分子の包接量や分子量、化学構造が機械的特性に大きく影響することも明らかとし、これについて論文投稿を行った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2022 2021

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results)

  • [Journal Article] Toughening and stabilizing MOF crystals via polymeric guest inclusion2022

    • Author(s)
      Tomoya Iizuka, Nobuhiko Hosono, Takashi Uemura
    • Journal Title

      Dalton Transactions

      Volume: 51 Issue: 35 Pages: 13204-13209

    • DOI

      10.1039/d2dt01425d

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Enhanced toughness and stability of MOF crystals via polymer introduction2022

    • Author(s)
      飯塚知也, 細野暢彦, 植村卓史
    • Organizer
      錯体化学会第72回討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] MOFへの超長鎖高分子の挿入:新規貫通複合体の合成2022

    • Author(s)
      飯塚知也, 佐野鴻之, 細野暢彦, 植村卓史
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] MOFと超長鎖高分子の複合による新規材料とその物性2021

    • Author(s)
      飯塚知也, 三輪悦裕, 細野暢彦, 植村卓史
    • Organizer
      第70回高分子年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Ultra-long Polymer Intercalates MOF2021

    • Author(s)
      飯塚知也, 佐野鴻之, 細野暢彦, 植村卓史
    • Organizer
      第70回高分子討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] MOFへの超高分子量PEOの導入による新規MOF/高分子複合体の合成2021

    • Author(s)
      飯塚知也, 佐野鴻之, 細野暢彦, 植村卓史
    • Organizer
      錯体化学会第71回討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] MOFへの超長鎖高分子の浸入2021

    • Author(s)
      佐野鴻之, 飯塚知也, 細野暢彦, 植村卓史
    • Organizer
      錯体化学会第71回討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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