ブロック共重合体等を用いた高分子孤立鎖の高湿度下での運動制御

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 20H05201
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 熊木 治郎 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 教授 (00500290)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 高分子構造・物性 / 原子間力顕微鏡 / 高分子孤立鎖 / ブロック共重合体 / 分子運動 / 高湿度 / 原子間力顕微鏡（AFM) / 走査プローブ顕微鏡（AFM）

Outline of Research at the Start

高分子材料は、様々な場面で、「水」と相互作用しており、高分子と水の相互作用を分子鎖レベルで直接観察して明らかにすることは極めて重要である。
本研究では、基板上の様々な種類の高分子孤立鎖の高湿度下での分子運動を原子間力顕微鏡(AFM)を用いて直接観察し、高分子の化学構造が運動挙動に与える影響を明らかにし、その結果を基に、ブロック共重合体や、特定の官能基を分子鎖の特定の位置に導入した高分子を設計し、高分子孤立鎖の運動を分子設計により、マニピュレートすることに挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度は、主として疎水性高分子、およびそのブロック共重合体を用いて高湿度下（60-90％RH）での運動挙動をAFM観察したが、poly(methyl methacrylate)（PMMA)を除き、いずれも並進運動の観察には至らなかった。
本年度は、より高い運動性の期待される親水性高分子（poly(2-hydroxyethyl methacrylate), poly(methacylic acid), poly(N-isopropyl acrylamide)(PNIPAM),四級化poly(4-vinyl pyridine)等）に検討範囲を広げて検討を行った。その結果、親水性が高い高分子が必ずしも高湿度下で高い運動性を示すわけではなく、基板との吸着力が分子鎖の運動に大きな影響を与えることが分かった。
検討した中で最も高い運動性を示したPNIPAMと疎水性高分子であるPMMAのブロック共重合体の運動挙動を検討した。高湿度下でPMMAは主鎖方向にへびのように運動するのに対して、PNIPAMは基板上で激しく無秩序に運動するが、そのブロック共重合体の運動は、PMMAブロック鎖が先行して不定形に動くPNIPAMを引き連れて動く場合や、無秩序に運動するPNIPAMが主鎖方向に移動するPMMAを引き連れて動く場合等、規則性がなく、ブロック共重合体による制御された運動挙動は観察されなかった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Chain Movements of a Molecularly Flat PMMA Substrate Surface Prepared by Thermal Imprinting with Mica and Isolated PMMA Chains Deposited on the PMMA Substrate Observed by AFM around the Bulk Tg (2022)
  • Author(s): Jin Ohkawa, Jiro Kumaki
  • Journal Title: Polym. J. Volume: 54 Issue: 3 Pages: 281-292
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00600-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solubilization of Poly(styrene)(PS)-b-Poly(methyl methacrylate)(PMMA)-b-PS in Poly(n-nonyl acrylate) and PMMA Monolayers as Isolated Chains with Both PS Blocks Forming Separated Single-Block Particles (2022)
  • Author(s): Fumiki Honma, Jiro Kumaki
  • Journal Title: Polym. J Volume: 54 Issue: 5 Pages: 687-696
  • DOI: 10.1038/s41428-022-00614-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal Stabilities of a Molecularly Stepped PMMA Substrate Prepared by Thermal Nanoimprinting and Isolated PMMA Chains Deposited on It Evaluated by High-Temperature Atomic Force Microscopy (2021)
  • Author(s): Ryota Umetsu, Jiro Kumaki
  • Journal Title: Polym. J. Volume: 53 Issue: 10 Pages: 1111-1121
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00508-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Combing of Various Poly(n-alkyl acrylate) Chains on Mica by the Dipping Method (2021)
  • Author(s): Akihiro Ohmatsuzawa, Moriya Kikuchi, Seigou Kawaguchi, Jiro Kumaki
  • Journal Title: Langmuir Volume: 37 Issue: 24 Pages: 7556-7564
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In Situ AFM Observation of Folded‐Chain Crystallization of a Low‐Molecular‐Weight Isotactic Poly(methyl methacrylate) in a Langmuir Monolayer at the Molecular Level (2021)
  • Author(s): Ono Yuki、Kumaki Jiro
  • Journal Title: Macromolecular Chemistry and Physics Volume: 222 Issue: 5 Pages: 2000372-2000372
  • DOI: 10.1002/macp.202000372
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-Assembly of Linear and Cyclic Polylactide Stereoblock Copolymers with a Parallel and Antiparallel Chain Arrangement Distinguishing Their Directions on a Water Surface (2020)
  • Author(s): Iwashima Kenta、Yamamoto Takuya、Tezuka Yasuyuki、Kumaki Jiro
  • Journal Title: Langmuir Volume: 36 Issue: 22 Pages: 6216-6221
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00769
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of a Si(111) Atomically Flat Substrate via Wet Etching and Evaluation as an AFM Substrate for Observations of Isolated Chains, Crystals, and Crystallization of Isotactic Poly(methyl methacrylate) at the Molecular Level (2020)
  • Author(s): Sasahara Yuki、Miyake Yuya、Kumaki Jiro
  • Journal Title: Langmuir Volume: 36 Issue: 26 Pages: 7494-7504
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c01098
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In situ AFM Observation of the Movements of Isolated Isotactic Poly(methyl methacrylate) Chains in a Precursor Film of an Oligo(methyl methacrylate) Droplet Spreading on Mica (2020)
  • Author(s): Watanabe Yasuhiro、Ichinohe Hayato、Kumaki Jiro
  • Journal Title: Langmuir Volume: 36 Issue: 41 Pages: 12327-12335
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c02299
  • Peer Reviewed
• [Presentation] AFM Observation of Polymer Structures at the Molecular Level (2022)
  • Author(s): Jiro Kumaki
  • Organizer: The Japan-Taiwan Bilateral Polymer Symposium 2022 (JTBPS2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 単分子膜中におけるit-PMMA折りたたみ鎖結晶の結晶化過程高分解能in-situ AFM観察 (2021)
  • Author(s): 小野裕貴、熊木治郎
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 原子間力顕微鏡による高分子の高倍観察 (2021)
  • Author(s): 熊木治郎
  • Organizer: 光ナノサイエンス特別講義（奈良先端科学技術大学院大学）
  • Invited
• [Presentation] 星型ポリ乳酸の分子鎖方向を識別した結晶化挙動 (2021)
  • Author(s): 山﨑翔太、原田真帆子、羽場修、福島和樹、熊木治郎
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] ポリ乳酸伸び切り鎖結晶の結晶化過程in-situ AFM観察 (2021)
  • Author(s): 大友和也、熊木治郎
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] it-PMMA孤立鎖の結晶化挙動観察 (2021)
  • Author(s): 高橋佑朔、熊木治郎
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] 星型ポリ乳酸の分子鎖方向を識別した結晶化挙動 (2021)
  • Author(s): 山﨑翔太、原田真帆子、羽場修、福島和樹、熊木治郎
  • Organizer: 2021高分子学会東北支部研究発表会
• [Presentation] In Situ Real-Time Observations of isotactic Poly(methyl methacrylate)(it-PMMA) Crystallization in Langmuir Monolayers by AFM (2021)
  • Author(s): Jiro Kumaki
  • Organizer: Sakura Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] It-PMMA折りたたみ鎖結晶の結晶化過程の高分解能AFM観察 (2020)
  • Author(s): 小野裕貴、熊木治郎
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] it-PMMA孤立鎖の結晶化挙動観察 (2020)
  • Author(s): 高橋佑朔, 熊木治郎
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] it-PMMA単分子膜の結晶化過程の実時間高分解能AFM観察 (2020)
  • Author(s): 黒岩知寛, 小野裕貴, 熊木治郎
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] it-PMMA孤立鎖の結晶化挙動観察 (2020)
  • Author(s): 高橋佑朔, 熊木治郎
  • Organizer: 2020高分子学会東北支部研究発表会
• [Remarks] 山形大学熊木研究室
  • URL: https://kumaki-lab.yz.yamagata-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] 山形大学教員情報
  • URL: https://yudb.kj.yamagata-u.ac.jp/html/100000173_ja.html
• [Remarks] 山形大学 熊木研究室
  • URL: http://kumaki-lab.yz.yamagata-u.ac.jp/index.html
• [Remarks] 山形大学教員情報
  • URL: http://yudb.kj.yamagata-u.ac.jp/html/100000173_ja.html