In situ observation of mechanical response of polymers doped with aggregation-induced emission probes
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23K04852
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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 35020:Polymer materials-related
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
比江嶋 祐介 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (10415789)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2026: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 凝集誘起発光 / プローブ / 刺激応答 / その場分光 / 力学物性 / 結晶性高分子 / その場分光測定 / 高分子物性 / 高分子物理 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、AIE分子を代表的な高分子材料中に導入し、応力や変形などの力学刺激に感応して発光を変化させる高感度な力学センサーとしての応用を目指す。すなわち、本研究の核心をなす問いは、「AIE分子が力学センサーとして使えるか？」である。そのために、まず、AIE分子をドープした高分子材料を調製する。この材料に、引張りなどの力学刺激を与え、発光スペクトルにおける光学応答を、申請者が得意とするその場分光測定により捉える。スペクトル解析により、材料に与えた力学刺激とAIE分子の光学応答との関係を定量的に明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
試料調製法として、溶媒キャスト法と溶融混練法を検討したところ、溶融混練法では高分子材料中にプローブ分子が良好に分散し、均一な発光状態が実現できることが分かった。
蛍光分光装置に組み込み可能な小型引張り試験機を新たに作製した。また、制御装置も新たに作製し、Pythonを用いてチャックの速度や方向を自由に制御できるようにした。これにより、延伸と除荷を繰り返すステップサイクル試験のような複雑な力学刺激を与えることが容易となった。解析方法として、主成分分析(PCA)、多変量曲線分解(MCR)、2次元相関分光(2D-COS)など、種々のケモメトリックス手法を検討した。その結果、非負値行列因子分解(NMF)法が最も有効であることが分かった。NMF法を用いると、延伸や除荷の際の凝集誘起発光(AIE)スペクトルは、変形前と変形後にそれぞれ対応する2つの成分でほぼ再現できることが分かった。変形前の成分はAIEスペクトルが支配的であり、変形後の成分は凝集体が崩壊した後の分子による発光が支配的である。変形前の成分のスコアは、降伏を過ぎると顕著に減少するが、降伏よりも以前に一旦増加することが分かった。このことは、AIEを用いることで、降伏に至らない微小変形を高感度で検知できることを示す。
紫外線LEDライトを光源として、試験片における発光の分布をUSBカメラを用いて画像や動画として測定した。得られた画像データの各ピクセルでのRGB値を入力データとして用いることで、変形状態のマッピングができることが分かった。また、AIE分子の発光強度は強いので、0.1秒程度の高い時間分解能での測定が可能であった。
NMF法を昇温過程のその場ラマンスペクトルに適用したところ、主に結晶相と非晶相に帰属されるスペクトルを自動的に抽出でき、これらのスコアから結晶度を見積もることができることが分かった。
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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
装置および解析方法の開発が順調に進み、論文の投稿段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の成果により、試料調製法、測定装置、基本的な解析方法が確立できたので、今後は、様々な系に応用し、感度や使いやすさの観点を含め、力学プローブとしての利用可能性を検討する。また、画像解析による可視化が有効であることが分かったので、シミュレーションとの連携などにより、応力やひずみの分布の経時変化など、時間と空間分解能が高い特長を生かした応用を検討する。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
