2017 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of Soft Photonic Crystals for Novel Functions
| Project Area | Soft Crystals: Science and Photofunctions of Easy-Responsive Systems with Felxibility and Higher-Ordering |
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| Project/Area Number |
17H06376
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
グン 剣萍 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (20250417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒川 孝幸 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (40451439)
野々山 貴行 北海道大学, 先端生命科学研究院, 特任助教 (50709251)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 高分子構造・物性 / ソフトクリスタル / 構造色 / 生体模倣 / 刺激応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
指圧程度の低力学刺激及び僅かな環境刺激に応答して構造色由来の色相が多彩に変化するソフト＆アクティブな高靭性フォトニックマテリアル創製に向けて、脂質二分子膜積層構造を有するラメラゲル(PDGIゲル)を作製し、１．含水率がラメラゲルの構造色及び力学物性に与える影響、及び２．二分子膜配向様式による構造色の角度依存性について評価した。
１．PDGI二分子膜とポリアクリルアミド(PAAm)層の積層構造から成るPDGIゲルはPAAm層の層間長に起因する連続的な構造色を示す。比較的層間長が長い赤色を呈すPDGIゲルを徐々に乾燥させると、構造色がブルーシフトしていく様子が確認され、層間長が揃った状態で乾燥することが示された。また、ゲルの含水率が58%を境に、延性から脆性へ力学物性転移することが確認された。この転移は、PAAm層の脱水によるゴム-ガラス転移に起因するが、純PAAmゲルでは含水率26%に境界を持つ。この高い含水率において転移点を有することは、比較的硬い脂質二分子膜間に存在するサブミクロンスケールのPAAm層のダイナミクスがバルクと大きく異なることを示している。
PAAm-PDGI交互積層によるラメラ層の配向様式がシート状及び同心円状のハイドロゲルを作製し、構造色の角度依存性を検証した。シート状のラメラゲルは、強い角度依存性を示し、ブラッグの回折と対応して浅い角度ほどブルーシフトすることが観察された。一方、同心円状のロッドゲルでは角度依存性が認められず、どの方向からも同じ色が観察された。またどちらの形状のゲルにおいてもPAAm層の層間長によって構造色の色相を赤から紫制御でき、かつ力学物性が純PAAmゲルに比べて向上した。角度に依存せず構造色を変調可能な材料は新機構ディスプレイ素子への応用が期待できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
角度依存性のない同心円状のロッドゲルに成功し、かつシート状ゲルと同様に、層間隔の調整によって様々な色相の構造色を示すゲルの創製に成功した。さらに、薬物徐放モデル実験として、ロッドゲル内部に担持した色素の拡散実験をおこなったところ、純PAAmゲルと比べて優れた長時間拡散挙動を示し、DDSキャリアーとしての応用も期待できる。粘弾性測定装置を用いた剪断応力とラメラ相形成の関係性についても既にゲルの作製に成功しており、順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
PDGIフォトニックゲルについて、ラメラ構造形成はゲル合成時においてゲル化溶液に掛かる剪断応力によって決まる。そこで、粘弾性測定装置を用いた種々の剪断応力下でのゲル重合を行い、重合時の剪断応力と形成される積層構造との相関性を評価する。また、他の計画班との共同研究について、北海道大学の加藤昌子教授、伊藤肇教授及び青山学院大学の長谷川美貴教授らが開発したソフトクリスタルは僅かな力学刺激で結晶相転移を起こし、発光や色変化を生じる。粉末状の結晶にかかる力を評価することは困難であり、この転移に必要な力の閾値を実験的に求めることは達成されていない。これを解決するために、当研究室で開発したよく伸びるエラストマー中にソフトクリスタルを均一に分散させ、エラストマーをマクロに延伸することでミクロなソフトクリスタルの力学試験を行う。同時に、蛍光スペクトルを測定することで、相転移時における結晶に掛かる力と結晶のサイズから、相転移に必要な力の閾値を測定する手法の開発を行う。
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