| Project/Area Number |
23K26727
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| Project/Area Number (Other) |
23H02034 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 35030:Organic functional materials-related
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
岸川 圭希 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (40241939)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2026: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
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| Keywords | 液晶 / 強誘電性 / 柱状液晶相 / ナノ構造体 / カラム / 柱状相 / 高密度記録 / 焦電性 / 電場応答 |
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| Outline of Research at the Start |
極小の電子デバイス、分子機械の作製、および、ウイルスやタンパク質の捕捉を実現するため、ナノサイズの構造体を構築する必要がある。これらのナノ構造体を作製する方法として、「分極維持タイプの軸方向分極型強誘電性カラムナー液晶（AP-FCLC）相」を利用する方法論を確立する。具体的な方法としては、1)カラムを垂直配向させた平滑なシートの作製、2)微小電極による分極情報の書き込み、3)重合性分子の分極部への選択的配置、および、4)光重合による一体化、という４つの工程を実現する。本研究では、ナノ構造体を設計図通りに作製する方法の基礎を確立し、微小領域を扱う研究・産業に大きなインパクトを与えたい。
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| Outline of Annual Research Achievements |
①4つの側鎖を有する新規ジフェニルウレア（DPU）化合物の合成：(S)-citronellyloxy基を有するN,N’-bis(3,4-tri((S)-citronellyloxy))ureaが焦電性を示し、ラセミ体の(rac)-citronellyloxy基を有する化合物が電圧印加により分極反転する結晶となることを明らかにし、DPU化合物において新たな性質を見出すことができた。
②中央に２つのCF3基を有する新規強誘電性柱状液晶：DPUと基本構造が異なる中央に大きな分極を有したビフェニル基を組み込んだ新規誘電性柱状液晶化合物を合成し、分子充填構造を明らかにし、強誘電性を有することを確認した。今後、この基本骨格を有する強誘電体の更なる発展が望まれる。
③半永久的に分極情報を記録できる液晶ウレア化合物:PDU分子のベンゼン部位をビフェニルに置換したビスビフェニルウレア化合物（BBPU）が、50℃付近で分極反転でき、室温付近で緩やかに結晶転移することを見出した。これにより、50℃付近で分極情報を記録し、室温付近に誘導することで、分極情報を壊すことなく半永久的に記録できることを示した。
④低電圧駆動する室温強誘電性柱状液晶化合物：強誘電性柱状液晶化合物を室温かつ低電圧で駆動させることに成功した。これにより、本化合物を利用した柱状液晶相の様々な基礎研究や応用研究に展開できるようになった。
⑤強誘電性DPU化合物におけるキラリティの重要性の精査：強誘電性柱状液晶化合物N,N’-bis(3,4,5-tri((S)-citronellyloxy)phenyl)ureaにおいて、強誘電性発現に関わる分子構造を合成的方法で調査した。その結果、3位と5位の両方に(S)-citronellyloxy基があることの重要性が見い出され、本化合物が強誘電性を発現するメカニズムについて解明することができた。
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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
研究実績の概要に示したように、2023年度は、以下のように強誘電性柱状液晶化合物に関する5つの重要な研究を行い、大きな成果を得た：①4つの側鎖を有する新規ジフェニルウレア（DPU）化合物、②中央に２つのCF3基を有する新規強誘電性柱状液晶、③半永久的に分極情報を記録できる強誘電性柱状液晶ウレア化合物、④低電圧駆動する室温強誘電性柱状液晶化合物、⑤強誘電性DPU化合物におけるキラリティの重要性の精査。
特に、④の研究成果は、今後のこのテーマの展開に重要である。つまり、室温において低電圧で記録を残せることを実証し、記録やその後の操作を全て室温で行うことができ、研究の作業効率や応用性が飛躍的に向上することを意味する。具体的には、加熱装置を使うことなく、室温で薄膜に上下方向の記録を残すことができ、その記録を第二次高調波発生（SHG)でイメージングすることができる。分極部をSHGでイメージングし確認した上で、分極部に蛍光分子を並べることが可能となり、これらを一体化して部品を形成することが可能となる。したがって、④の研究成果により、ナノ構造体の作製というゴールに大きく近づけたと考えている。
また、⑤の研究成果は、強誘電性発現において、分子構造のどの部分が重要であるか、ということを明らかにした点で、極めて重要であると考えている。2019年に見出されていた強誘電性柱状液晶化合物N,N’-bis(3,4,5-tri((S)-citronellyloxy)phenyl)ureaにおいて、強誘電性発現が特定の分子構造に大きく関連していることを明らかにできた。本研究成果により、3位と5位の両方に(S)-citronellyloxy基があることの重要性が見い出され、今後は、4位に他の機能性部位を導入し、強誘電性のスイッチと機能発現という組み合わせにより、更なる研究の発展が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度以降の研究を、以下のように計画している。
①強誘電性ナノシートの作製：低電圧駆動の室温強誘電性柱状液晶を用いた強誘電薄膜の形成、もしくは、重合性置換基を有する強誘電性柱状液晶の一体化による不要性の強誘電性薄膜の形成を試みる。②強誘電性薄膜に対して、電圧印加により、上下の垂直方向の分極情報を記録し、それらを第二次高調波発生（SHG)により読取ることを試みる。本研究では、2023年度に開発したSHGイメージング装置を利用し、分極部ならびに分極の上下方向を見分ける方法を確立する。③分極部に選択的に作用する蛍光性分子を配置し、SHGと蛍光発光により、分極部に選択的に蛍光性分子が配置していることを確認する。④蛍光性分子に重合性置換基を導入した上で、分極部にこれらの分子を配置し、一体化させて、強誘電性薄膜から取り出す。この操作を可能な限り小さなスケール（目標；数十ナノスケール）で行えるように、方法の改良を重ねる。
上記の研究とは別に、強誘電性と機能発現を組み合わせた物質の作製を行う。強誘電性柱状液晶化合物N,N’-bis(3,4,5-tri((S)-citronellyloxy)phenyl)ureaの精査で判明したことを「強誘電的スイッチを有する機能性液晶分子」に発展させる。N,N’-bis(3,4,5-tri(alkoxy) phenyl)ureaにおいて、3位と5位の両方に(S)-citronellyloxy基を導入することにより、強誘電性を発現させ、4位に他の機能性部位を導入し、強誘電性のスイッチと機能発現という組み合わせにより、電場印加による遠隔操作できる「強誘電的スイッチを有する機能性液晶分子」というコンセプトにより、研究を発展させる。
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