Soft opt mechanical systems operated by different wavelength near-infrared light

• Project/Area Number: 23K20912
• Project/Area Number (Other): 21H01239 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
• Research Institution: Tomakomai National College of Technology (2024); Kumamoto University (2021-2023)
• Principal Investigator: 渡邉 智 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (80579839)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: ソフトアクチュエータ / 近赤外波長選択 / 光熱変換 / マイクロパターニング / 希土類イオン結晶 / マランゴニ流 / 近赤外光 / 波長選択 / 感温性ハイドロゲル / 希土類 / 結晶 / ソフトマイクロマシン / ナノシート / 波長選択応答 / 希土類ナノ材料 / 感温ポリマーゲル

Outline of Research at the Start

これまで実現が困難であった水中での遠隔操作で複雑な動作が可能なマイクロマシンを実現する。吸収線幅の狭い複数の希土類光熱変換材料を感温ゲルに組み込み分けることで、照射波長の違いで複雑な動作が可能になる。微細化に伴う駆動力の低下で問題となる溶液抵抗（およびブラウン運動）を克服するために、「①吸収効率の低さを補い希土類濃度を高める材料設計の工夫」、「②省エネルギーで駆動できる生物模倣デバイスの開発」、「③外部環境の影響を受けにくい流体システムの設計」に取り組む。将来的には、生体深部まで透過可能な近赤外光のみで駆動でき、医療用マイクロロボットへの応用が期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

本提案の目標は(1)希土類光熱変換材料の開発、(2)希土類光熱変換デバイスの開発、(3)マイクロソフトオプトメカニカルシステムの開発である。そのうち、昨年度の計画で示した通り(1)希土類光熱変換材料の開発：希土類結晶の合成、(3)マイクロソフトオプトメカニカルシステム：メカニカルアクチュエータとマランゴニ推進船の複合化を行った。（1）に関しては、水溶性の希土類硫酸塩を用いて希土類イオン結晶の合成を試みた。希土類硫酸塩は他の希土類塩と異なり、水への溶解性が低いために、希土類硫酸塩をフィラーやデバイスとして用いることができる。希土類硫酸塩を水に加えてpHを変えて沈殿-溶解の相図を作製した。相図は作成できたが、溶解と沈殿の境界に存在する過飽和領域が小さいために、希土類硫酸塩を意図的に結晶成長させるのが難しいことが明らかになった。マイクロメートルサイズやミリメートルサイズの希土類結晶をアクチュエータの担体にするのが難しい。今後は初年度、次年度に用いていた希土類ナノ粒子をゲル中にフィラーとして分散させる手法に絞ることにした。（2）に関しては、収縮と膨潤のメカニカルアクチュエータを水面に置くことで収縮と水面上の動きを両立させることに成功した。メカニカルアクチュエータの収縮時はゲルの疎水化を利用しているために、光熱変換の温度変化だけでなく、ゲルの親疎水性の変化もマランゴニ流れの駆動力に影響している可能性が示唆された。想定よりも大きいマランゴニ流れによるアクチュエータの移動が可能になりそうなために、ゲルの親疎水を高める必要があるという重要な知見が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究目的(1)希土類光熱変換材料の開発、(2)希土類光熱変換デバイスの開発、(3)マイクロソフトオプトメカニカルシステムの目途が立ったためである。残りは（3）のマイクロサイズへスケールダウンする部分が大きなターゲットである。

Strategy for Future Research Activity

次年度は光熱変換デバイスやソフトオプトマイクロメカニカルシステムをマイクロメートルサイズへスケールダウンする計画である。スケールダウンには、フォトマスクを介した光重合、マイクロメートルサイズの鋳型を利用した鋳型重合、インクジェット装置を利用したプリンティング法、光学顕微鏡下でマニピュレーターで切削加工する手法などを用いる予定である。

Research Products

• [Journal Article] Phase diagrams of anthracene derivatives in pyridinium ionic liquids (2024)
  • Author(s): Watanabe Satoshi、Ono Keigo、Nakayama Rinsuke、Tajiri Kaho、Inouchi Shun、Matsuo Takumi、Kunitake Masashi、Hayashi Shotaro
  • Journal Title: ChemPhysChem Volume: --- Issue: 11
  • DOI: 10.1002/cphc.202300867
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single Crystallization of Cs4PbBr6 Perovskite from Supersaturated Organic Solutions Optimized Through Solubility Studies (2023)
  • Author(s): Watanabe Satoshi、Hayashida Taiki、Iwai Masaru、Inomata Yusuke、Kunitake Masashi、Kida Tetsuya
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 8 Issue: 2 Pages: 2455-2461
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c06945
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multimotion of Marangoni Propulsion Ships Controlled by Two-Wavelength Near-Infrared Light (2021)
  • Author(s): Watanabe Satoshi、Arikawa Kazuki、Uda Makoto、Fujii Syuji、Kunitake Masashi
  • Journal Title: Langmuir Volume: 37 Issue: 50 Pages: 14597-14604
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c02222
  • Peer Reviewed
• [Presentation] π共役分子のイオン液体溶液の相平衡図解析 (2024)
  • Author(s): 渡邉智, 中山倫祐, 田尻華穂, 井野内駿, 小野恵瑚, 林正太郎, 國武雅司
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] リソグラフィーとコロイド界面科学の融合が 生んだ溶液プロセスおよびフレキシブル光デバイス (2024)
  • Author(s): 渡邉智
  • Organizer: ケムステVシンポ
  • Invited
• [Presentation] Recyclable Polymer Systems based on of Necklace-Shaped Polydimethyl Siloxanes (2023)
  • Author(s): M. Kunitake, A. Mori, A. Pathak, S. Watanabe
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single crystallization of p-conjugated small molecules in super-cooling solutions using phase diagram and soft templates (2023)
  • Author(s): S. Watanabe, R. Urata, T. Ohta, T. Sato, T. Aoyama, S. Ida, M. Kunitake
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Batch and continuous fabrication techniques for flexible molecular crystal optical fibers (2023)
  • Author(s): Satoshi Watanabe, Shota Sato, Shotaro Hayashi・Masashi, Kunitake
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 微量試料のためのマイクロコンビナトリアル結晶臨界条件分析法の開発 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 井野内駿, 益永聖司, 國武雅司
  • Organizer: 第74回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 過飽和液結晶成長法を用いた柔軟性分子結晶ファイバーのバッチおよび連続作製法の開発 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 佐藤翔太, 林正太郎, 國武雅司
  • Organizer: 第74回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] Single crystallization in solutions of organic semiconductor molecules by adjusting equilibrium adsorption at the air-liquid interface (2023)
  • Author(s): S. Watanabe, R. Urata, T. Ohta, T. Sato, T. Aoyama, M. Kunitake
  • Organizer: International Conference on Organized Molecular Films 18 - ICOMF18 / LB18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体マイクロ液滴群によるコンビナトリアル結晶臨界条件測定法 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 井野内駿, 國武雅司
  • Organizer: 令和5年度九州地区高分子若手研究会・夏の講演会
• [Presentation] 近赤外波長選択応答ソフトアクチュエータの開発 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 有川和希, 國武雅司
  • Organizer: 2023年繊維学会年次大会
• [Presentation] インクジェット装置によるコンビナトリアル結晶臨界条件測定法 (2023)
  • Author(s): 渡邉 智, 井野内 駿, 國武 雅司
  • Organizer: 第72回高分子学会年次大会
• [Presentation] 導波路ファイバー向けの柔軟性分子結晶の製造法開発 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 佐藤翔太, 小野恵瑚, 國武雅司, 林正太郎
  • Organizer: 第68回 光波センシング技術研究会
• [Presentation] インクジェット法とイオン液体によるマイクロ試料の溶解度測定法 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 井野内駿, 國武雅司
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] エラスティック分子結晶ファイバーのための液相単結晶成長法の開発 (2023)
  • Author(s): 渡邉智, 佐藤翔太, 小野恵瑚, 林正太郎, 國武雅司
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 有機半導体の相図とソフトクリスタルエンジニアリング (2022)
  • Author(s): 渡邉智
  • Organizer: 第18回バイオオプティクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Near-infrared wavelength-selective response soft actuators consisting of photothermal conversion rare-earth nanoparticles and polymer hydrogels (2022)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: Japan-US workshop on organic/inorganic hybrid materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 相図に基づいたπ共役分子の溶液相結晶成長法 (2022)
  • Author(s): 渡邉智
  • Organizer: 第36回九州コロイドコロキウム
  • Invited
• [Presentation] キャピラリー結晶成長法によるエラスティック単結晶ファイバーの作製 (2022)
  • Author(s): 渡邉智, 小野恵瑚, 林正太郎, 國武雅司
  • Organizer: 第73回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 非水系溶液中での0次元無機ペロブスカイトの単結晶作製法の開発 (2022)
  • Author(s): 渡邉智, 林田泰起, 林正太郎, 國武雅司, 木田徹也
  • Organizer: 第73回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] Elastic single crystal fibers consisting of an anthracene derivative for winding (2022)
  • Author(s): 渡邉智, 小野恵瑚, 林正太郎, 國武雅司
  • Organizer: 第71回高分子学会年次大会
• [Presentation] 近赤外二波長選択応答マランゴニ推進船の創出 (2022)
  • Author(s): 渡邉智, 有川和希, 藤井秀司, 國武雅司
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会
• [Presentation] 有機半導体分子の相図，Gibbs吸着，そして液相結晶成長 (2021)
  • Author(s): 渡邉智
  • Organizer: コロイド界面化学若手WEBセミナーシリーズ2021（第1回）
  • Invited
• [Presentation] Soft opt mechanical devices consisting of photothermal conversion rare-earth nanoparticles with wavelength selectivity (2021)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: 第 72回コロイドおよび界面化学討論会（国際シンポジウム）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有機ハロゲン化鉛ペロブスカイト材料の相図と単結晶成長 (2021)
  • Author(s): 渡邉智，井野内駿，伊達天祐，國武雅司
  • Organizer: 第72回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 相図に基づく有機ハロゲン化鉛ペロブスカイト材料の単結晶作製法 (2021)
  • Author(s): 渡邉智，井野内駿，伊達天祐，國武雅司
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] キャピラリーイオン液体中でのπ共役低分子のエラスティック単結晶の作製 (2021)
  • Author(s): 小野恵胡，渡邉智，林正太郎，國武雅司
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] 両連続マイクロエマルション薄層ゲルを用いたスタンドアローン電気化学分析システム (2021)
  • Author(s): 國武雅司，橋本 妃菜胡, 渡邉智, 鎌田 智之, 加藤 大, 丹羽 修, 西見 大成
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] 近赤外2波長選択応答マランゴニ推進船の創出 (2021)
  • Author(s): 渡邉智，有川和希，藤井秀司，國武雅司
  • Organizer: 令和3年度九州地区高分子若手研究会・夏の講演会
• [Presentation] 相互侵入ポリマーネットワークゲルによる近赤外2波長選択応答アクチュエータ (2021)
  • Author(s): 渡邉智，有川和希，國武雅司
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] エラスティック単結晶を形成するための濃度-温度相図の作成 (2021)
  • Author(s): 渡邉智，小野恵瑚，林正太郎，國武雅司
  • Organizer: 第68回応用物理学会 春季学術講演会