Establishment of Chemistry and Polymer Chemistry of Molecular Machines Offering Large Motion and High Thermal Stability and Development of Smart Materials

• Project/Area Number: 23K21133
• Project/Area Number (Other): 21H01987 (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 35010:Polymer chemistry-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 今任 景一 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (80777970)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: 高分子 / 分子マシン / 分子スイッチ / スマートマテリアル / 刺激応答性材料 / 高分子化学 / メカノフォア / 光化学 / メカノケミストリー / アクチュエーター / 応力検出 / 光スイッチ

Outline of Research at the Start

外部刺激により機械的な動きを生じる分子マシンは、アクチュエーターなどのスマート高分子材料への利用が期待されている。無秩序で高い分子運動性の部分・材料も多い高分子分野では、分子マシンの動きの大きさや速さ、安定性が重要となる。しかし、従来の分子マシンはこれらが欠けており、スマート材料開発の土台となる基礎高分子化学を調べることができなかった。さらに、機械でありながら力に対する応答もほとんど明らかにされていない。
本研究では、動きの大きさと安定性を兼ね備えた新たな光応答性分子マシンの化学とその分子マシンを有する高分子の化学を確立し、光や力に応答する新たなスマート高分子材料を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、動きの「大きさ」と「安定性」を兼ね備えた光応答性の分子マシン、スティッフスチルベン（SS）とヒンダードSS（HSS）の化学とそれらを有する高分子の化学（溶液とゲル、エラストマーにおいて、光と力が高分子構造・物性に及ぼす影響）を確立し、「光」や「力」に応答する新たなスマート高分子材料（ゲルアクチュエーターと光可逆的な高感度応力検出フィルム）を開発することを目的としている。
2023年度は次の【A】および【C】~【E】の4つの研究項目に取り組んだ。【A】SSとHSSの合成、【C】SSとHSSを有する高分子の合成、【D】高分子の光に対する応答性評価、【E】高分子の力に対する応答性評価。【A】では、両末端にビニル基を有する新たなHSSモノマーを合成した。【C】では、【A】で合成したモノマーを用いた非環式ジエンメタセシス重合により、HSSを主鎖に繰り返し単位として有する新たな直鎖状高分子の合成に成功した。【D】では、HSSを主鎖に繰り返し単位として有する複数種類の直鎖状高分子について、溶液や薄膜の光異性化を調査した。特に、HSSの光異性化に起因した高分子構造の変化と、それに伴う溶液中の凝集・溶解の光スイッチングや薄膜表面の化学的性質の光スイッチングなどの興味深い現象も見出した。また、これらについて論文化も進めた。【E】では、HSSを高分子鎖中央に1つだけ有する直鎖状高分子の力に対する応答性（Z体からE体にのみ力で選択的に異性化する）について、論文にまとめて発表した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

【A】~【E】の各研究項目において、予定以上に進んでいる。【A】SSとHSSの合成では、当初の計画以上の合成に成功した。【B】光・熱異性化の調査と化学の確立については、論文にまとめて発表した。【C】SSとHSSを有する高分子の合成でも、当初の計画以上の合成に成功した。【D】高分子の光に対する応答性評価では、予想外の興味深い現象も見出され、論文化を進めている。【E】高分子の力に対する応答性評価についても、論文にまとめて発表した。以上の理由により、当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は、主に研究項目【F】光や力に応答する新たなスマート高分子材料の開発に取り組む予定である。【D】高分子の光に対する応答性評価については、論文を発表して完結させる。

Research Products

• [Journal Article] Recent progress in photoinduced transitions between the solid, glass, and liquid states based on molecular photoswitches (2024)
  • Author(s): Imato Keiichi、Kaneda Naoki、Ooyama Yousuke
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 56 Issue: 4 Pages: 269-282
  • DOI: 10.1038/s41428-023-00873-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermally Stable Photomechanical Molecular Hinge: Sterically Hindered Stiff-Stilbene Photoswitch Mechanically Isomerizes (2023)
  • Author(s): Imato Keiichi、Ishii Akira、Kaneda Naoki、Hidaka Taichi、Sasaki Ayane、Imae Ichiro、Ooyama Yousuke
  • Journal Title: JACS Au Volume: 3 Issue: 9 Pages: 2458-2466
  • DOI: 10.1021/jacsau.3c00213
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polymer Mechanochemistry of Component Parts for Artificial Molecular Machines (2023)
  • Author(s): Imato Keiichi、Ooyama Yousuke
  • Journal Title: Macromolecular Chemistry and Physics Volume: 224 Issue: 24 Pages: 2300316-2300316
  • DOI: 10.1002/macp.202300316
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wireless Electrochemical Gel Actuators (2023)
  • Author(s): Imato Keiichi、Hino Taichi、Kaneda Naoki、Imae Ichiro、Shida Naoki、Inagi Shinsuke、Ooyama Yousuke
  • Journal Title: Small Volume: 20 Issue: 9 Pages: 2305067-2305067
  • DOI: 10.1002/smll.202305067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sterically Hindered Stiff-Stilbene Photoswitch Offers Large Motions, 90% Two-Way Photoisomerization, and High Thermal Stability (2022)
  • Author(s): Imato Keiichi、Sasaki Ayane、Ishii Akira、Hino Taichi、Kaneda Naoki、Ohira Kazuki、Imae Ichiro、Ooyama Yousuke
  • Journal Title: The Journal of Organic Chemistry Volume: 87 Issue: 23 Pages: 15762-15770
  • DOI: 10.1021/acs.joc.2c01566
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoswitchable Adhesives of Spiropyran Polymers (2022)
  • Author(s): Imato Keiichi、Momota Koki、Kaneda Naoki、Imae Ichiro、Ooyama Yousuke
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 34 Issue: 18 Pages: 8289-8296
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c01809
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 熱安定な光応答性分子スイッチによる固体-液体の光転移 (2024)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づきワイヤレスで駆動するゲルアクチュエーターの開発 (2023)
  • Author(s): 今任景一, 日野太一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第72回高分子学会年次大会
• [Presentation] 熱安定な分子スイッチによる高分子固体―液体の光相転移 (2023)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第72回高分子学会年次大会
• [Presentation] 熱安定な分子スイッチによるガラス転移温度の光制御 (2023)
  • Author(s): 日高太智, 今任景一, 兼田直輝, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第72回高分子学会年次大会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づきワイヤレスで駆動するソフトアクチュエーターの開発 (2023)
  • Author(s): 今任景一, 日野太一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 2023年繊維学会年次大会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動するワイヤレスゲルアクチュエーターの開発 (2023)
  • Author(s): 今任景一, 日野太一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第47回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] Development of gel actuators driven wirelessly by bipolar electrochemistry (2023)
  • Author(s): Keiichi Imato, Taichi Hino, Naoki Shida, Shinsuke Inagi, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: The 13th SPSJ International Polymer Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photoinduced solid-liquid phase transitions by thermally stable molecular switches (2023)
  • Author(s): Naoki Kaneda, Keiichi Imato, Akira Ishii, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: The 13th SPSJ International Polymer Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermally stable photomechanical molecular hinge: sterically hindered stiff-stilbene photoswitch mechanically isomerizes (2023)
  • Author(s): Keiichi Imato, Akira Ishii, Naoki Kaneda, Ayane Sasaki, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: ACS Fall 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱安定性の高い光応答性分子スイッチによる固体-液体の光転移 (2023)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 熱安定な分子スイッチによりガラス転移温度を光制御可能な高分子の合成と接着性評価 (2023)
  • Author(s): 日高太智, 今任景一, 兼田直輝, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 熱安定な光応答性分子スイッチによる固体-液体の光可逆的転移 (2023)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] 熱安定な光応答性分子スイッチによるガラス転移温度と接着性の光制御 (2023)
  • Author(s): 日高太智, 今任景一, 兼田直輝, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第13回CSJ化学フェスタ2023
• [Presentation] 機能性色素によるスマート高分子材料の開拓 (2023)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 第38回中国四国地区高分子若手研究会
  • Invited
• [Presentation] 光応答性分子スイッチによる接着の光制御 (2023)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 日本接着学会西部支部・若手主催講演会
  • Invited
• [Presentation] Photoinduced transitions between solid, glass, and liquid by thermally stable molecular photoswitches (2023)
  • Author(s): Keiichi Imato
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photoinduced reversible solid-to-liquid phase transitions by thermally stable molecular photoswitches (2023)
  • Author(s): Naoki Kaneda, Keiichi Imato, Akira Ishii, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱安定な分子スイッチによる固体－液体の光変換 (2023)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] バルク物性の光変換に向けた熱安定な分子スイッチを有する高分子の合成と評価 (2023)
  • Author(s): 日高太智, 今任景一, 兼田直輝, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] スティッフスチルベン骨格を有する光分子スイッチの合成と評価 (2023)
  • Author(s): 真島美咲, 今任景一, 兼田直輝, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動するゲルアクチュエーターの開発 (2022)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第46回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を両立した分子スイッチによる高分子の構造・物性の光変換 (2022)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 佐々木綾音, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第46回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] 機能性色素とスマート高分子材料 (2022)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 2022年度第1回粉体操作に伴う諸現象に関する勉強会
  • Invited
• [Presentation] Photocontrol of polymers by molecular switches combining large movement and high thermal stability (2022)
  • Author(s): Keiihi Imato, Ayane Sasaki, Akira Ishii, Noki Kaneda, Yuta Tsujii, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: IUMRS-ICYRAM2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polymer mechanochemistry of molecular switches combining large movement and high thermal stability (2022)
  • Author(s): Akira Ishii, Keiihi Imato, Ayane Sasaki, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: IUMRS-ICYRAM2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of skeletal muscle-mimetic gel actuators driven by bipolar electrochemistry (2022)
  • Author(s): Taichi Hino, Keiichi Imato, Naoki Shida, Shinsuke Inagi, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: IUMRS-ICYRAM2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phototransformation of polymer structures and properties by molecular switches combining large movement and high thermal stability (2022)
  • Author(s): Noki Kaneda, Keiihi Imato, Ayane Sasaki, Akira Ishii, Ichiro Imae, Yousuke Ooyama
  • Organizer: IUMRS-ICYRAM2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フォトクロミック分子の極性変化を利用した高分子接着剤の光スイッチング (2022)
  • Author(s): 今任景一, 百田康紀, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 大きな動きと高い光異性化率、熱安定性を兼ね備えた分子スイッチの高分子メカノケミストリー (2022)
  • Author(s): 石井祥, 今任景一, 佐々木綾音, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動するゲルアクチュエーターの開発 (2022)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 大きな動きと高い光異性化率、熱安定性を兼ね備えた分子スイッチによる高分子の構造・物性の光変換 (2022)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 佐々木綾音, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 大きな動きと高い光異性化率、熱安定性を示す分子スイッチによる高分子の構造・物性の光変換 (2022)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 佐々木綾音, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 色材協会創立95周年記念会議
• [Presentation] 大きな動きと熱安定性を兼ね備えた分子スイッチによる高分子の光制御 (2022)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 2022年繊維学会秋季研究発表会
  • Invited
• [Presentation] Photocontrol of polymers by molecular switches offering large motions and high thermal stability (2022)
  • Author(s): Keiichi Imato
  • Organizer: International Congress on Pure & Applied Chemistry Kota Kinabalu 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スピロピランの極性変化を利用した高分子接着剤の光スイッチング (2022)
  • Author(s): 今任景一, 百田康紀, 兼田直輝, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を兼ね備えた光応答性分子スイッチの高分子メカノケミストリー (2022)
  • Author(s): 石井祥, 今任景一, 佐々木綾音, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] バイポーラ電気化学により駆動するゲルアクチュエーターの開発 (2022)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] 熱安定な分子スイッチによるガラス転移温度の光変換 (2022)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] 機能性色素を導入したスマート高分子の開発 (2022)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）分子サイバネティクス 第9回領域セミナー
  • Invited
• [Presentation] 大きな動きと熱安定性を兼ね備えた分子スイッチの高分子応用 (2022)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 電気化学会第89回大会
  • Invited
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を兼ね備えた分子スイッチの高分子メカノケミストリー (2022)
  • Author(s): 石井祥, 今任景一, 佐々木綾音, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動する骨格筋模倣ゲルアクチュエーターの開発 (2022)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 大きな動きと熱安定性を兼ね備えた分子スイッチによる高分子の構造・物性の光変換 (2022)
  • Author(s): 兼田直輝, 今任景一, 佐々木綾音, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 大きな動きと熱安定性を兼ね備えた分子スイッチによる光駆動アクチュエータ―の開発検討 (2022)
  • Author(s): 辻井雄大, 今任景一, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を兼ね備えた分子スイッチの合成と評価 (2021)
  • Author(s): 今任景一, 佐々木綾音, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第45回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] スピロピラン含有ブロック共重合体の合成と相分離構造の評価 (2021)
  • Author(s): 百田康紀, 今任景一, 平井智康, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第45回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を兼ね備えた分子スイッチの力学的刺激応答性 (2021)
  • Author(s): 石井祥, 今任景一, 佐々木綾音, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第45回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動するゲルアクチュエーターの開発検討 (2021)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第45回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] 機能性色素によるスマート高分子材料の開発 (2021)
  • Author(s): 今任景一
  • Organizer: 第179回東海高分子研究会講演会
  • Invited
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を両立した分子スイッチの高分子メカノケミストリー (2021)
  • Author(s): 石井祥, 今任景一, 佐々木綾音, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第36回中国四国地区高分子若手研究会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動する骨格筋模倣ゲルアクチュエーターの開発検討 (2021)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第36回中国四国地区高分子若手研究会
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を両立した分子スイッチによる高分子の構造・物性の光制御 (2021)
  • Author(s): 今任景一, 佐々木綾音, 石井祥, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第31回日本MRS年次大会
• [Presentation] 大きな構造変化と熱安定性を兼ね備えた分子スイッチの高分子メカノケミストリー (2021)
  • Author(s): 石井祥, 今任景一, 佐々木綾音, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第31回日本MRS年次大会
• [Presentation] バイポーラ電気化学に基づき駆動する骨格筋模倣ゲルアクチュエーターの開発 (2021)
  • Author(s): 日野太一, 今任景一, 信田尚毅, 稲木信介, 今榮一郎, 大山陽介
  • Organizer: 第31回日本MRS年次大会
• [Book] プラスチックのリサイクルと再生材の改質技術（光可逆性接着剤による自在な接脱着） (2024)
  • Author(s): 技術情報協会（今任景一, 大山陽介）
  • Total Pages: 621
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784867980101
• [Book] Progress in the Science of Functional Dyes (Photodynamic Therapy) (2021)
  • Author(s): Yousuke Ooyama, Shigeyuki Yagi (Keiichi Imato, Yousuke Ooyama)
  • Total Pages: 601
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789813343924
• [Book] 刺激応答性高分子の開発動向（外部刺激応答性の機能性色素の分子設計） (2021)
  • Author(s): 荏原充宏（大山陽介, 今任景一）
  • Total Pages: 323
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781316116
• [Remarks] 今任景一（Keiichi Imato）の個人ページ
  • URL: https://kimato.info
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光異性化基を有する（メタ）アクリル化合物、ポリ（メタ）アクリル化合物、及び、（メタ）アクリル系接着剤 (2023)
  • Inventor(s): 今任景一, 大山陽介, 兼田直輝, 日高太智
  • Industrial Property Rights Holder: 広島大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-201258
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光異性化基を有する（メタ）アクリル化合物、及び、ポリ（メタ）アクリル化合物 (2022)
  • Inventor(s): 今任景一, 大山陽介, 兼田直輝, 日高太智
  • Industrial Property Rights Holder: 広島大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-191130
  • Filing Date: 2022