The mechanism of structural phase transitions in organic crystals accompanied by crystal crushing and their device applications
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21K05045
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 33010:Structural organic chemistry and physical organic chemistry-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
高澤 健 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主幹研究員 (10354317)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 有機単結晶 / 構造相転移 / アクチュエータ / 複屈折 / 相境界 / 有機結晶 / ナノファイバー / 単結晶 / 動的座屈 |
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| Outline of Research at the Start |
温度変化により有機結晶が突然粉砕する現象が古くから知られている。結晶粉砕は、構造相転移により結晶に瞬間的に大きな応力が発生するために生じる。このため、発生力を利用した高速アクチュエータ等への応用が期待されるが、結晶自体が粉砕してしまう不可逆過程であるため、デバイス応用が困難であるだけでなく、相転移機構の詳細研究も困難であった。本研究では、結晶をナノファイバー化すると、粉砕を免れ相転移の発生と進展をファイバーの屈曲変形として観測できることを示し、相転移の詳細研究を行う。さらには、ナノファイバーは粉砕しないことを利用して、繰り返し動作が可能なナノファイバー高速アクチュエータの開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度までの研究で、本課題の最終目的である「構造相転移を利用した、繰り返し動作可能な有機単結晶アクチュエータ」を実現することができた。具体的には、1, 2, 4, 5-四臭化ベンゼン（以下TBB）の単結晶ファイバーの温度誘起構造相転移を利用して、20回以上繰り返し動作が可能な高速・高出力アクチュエータの開発に成功した。2022年度は、本アクチュエータの機械特性・力学特性等を精密に定量評価し、それらを纏めた成果を論文発表した。
また、本研究推進の過程で、TBBの構造相転移を分光学的に確認するために、約5cm-1程度の超低振動数領域まで測定が可能な顕微ラマン分光装置の開発を行った。この装置は、TBBの相転移確認だけでなく、様々な物質の超低振動数領域のラマン測定に適用可能であるため、汎用性が非常に高い。そこで、本装置の開発に関する論文を執筆して発表した。
さらに、有機結晶の構造相転移ダイナミクスを詳細に研究するために、偏光顕微鏡と高速度カメラを組み合わせた新規装置の開発を行った。この装置は、相転移による結晶の僅かな複屈折の変化を検知することが可能であり、その結果、転移相の空間的な伸展を直接画像として捉えることができる。本装置を用いてTBB単結晶の構造相転移を観測したところ、結晶が相転移温度に達すると、結晶端に娘相が発生し、その後、母相と娘相の境界が結晶中を高速で移動することにより相転移が進行することが明らかになった。また、相境界の移動速度は、結晶中の音速にほぼ等しいことが分った。有機結晶の構造相転移が、このような相境界の高速移動により進行することを実際に観測することができたのは、本研究が初めてである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題の最終目標を達成した上で、さらに研究を発展させることができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度に新たに開発した装置により、TBB単結晶の相転移ダイナミクスを直接観測することに成功した。その結果、TBBの構造相転移は、母相と娘相の境界が音速に近い速度で結晶中を移動することで進行することを明らかにした。このような高速相転移ダイナミクスを直接観測した例は、これまでほとんどないため、この観測結果を詳細に解析することは、有機結晶の構造相転移のメカニズムを理解する上でたいへん重要である。理論モデルを構築し、相転移メカニズムの解明を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
