2019 Fiscal Year Annual Research Report
シングルドメインソフトマターが拓く新構造と物性に関する研究
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17H01034
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
福島 孝典 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (70281970)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾原 幸治 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (00625486)
梶谷 孝 東京工業大学, 技術部, 技術職員 (20469927)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 自己組織化 / ソフトマター / シングルドメイン / X線構造解析 / 音波浮遊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者らが見出した、世界的にも歴史的にも類を見ない新たな性質を示すシングルドメインソフトマターの構造、相挙動、粘弾性、力学特性の解明からスタートし、その展開（課題１）、発展研究（課題２）、およびその融合研究を通じ、ソフトマターの基礎科学に新たなフロンティアを築くことを目的とする。課題１では、自発的シングルドメイン化をもたらす構造要素とメカニズム、さらにそこに潜む物理化学を探求し、シングルドメインソフトマターを形成する分子ライブラリを構築する。課題２では、音波浮遊技術をソフトマターの構造化に適用し、シングルドメイン化または超精密分子配向制御を可能にする「分子自己集合場」を設計する。
課題１では、分子凝縮相に関する既存概念では説明しえない性質を示す分子集合体の構造、相挙動および集団運動について検討した。この分子集合体は、ディスク状コアにキラルなアルキル鎖が結合した分子を構成要素とする。この分子の粉末試料を加熱溶融し、等方性液体から冷却すると液滴状の集合体が得られる。しかしこの液滴は、高度な三次元構造規則性を有する分子集合体であり、しかも単結晶様のシングルドメインとして存在する。さらに、見かけ上は三次元構造規則性を保持したまま回転流動するという特異な性質を示す。この挙動を解明し、成果を論文誌上で発表するとともに、解説記事などにより広く国内外に発信した。さらに、新たに合成したお椀型分子をコアとする分子の自己集合挙動の検討過程で、剪断力に応じて、まさに積み重ねたお椀のような集団運動を示すことを発見した。課題２では、音波浮遊装置開発を完了し、この装置を用いて液晶やポリマーの構造形成について検討した。その結果、音波浮遊により、ミリメートルオーダーのシングルドメイン構造を有する球状分子集合体が得られることに加え、有機液滴中の分子配向制御が可能であることを見出した。
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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
課題１については、シングルドメインソフトマターを形成する物質の分子集合構造、相挙動の検討を行い、それにより新規な分子集団運動を明らかにした。研究は当初の計画通り進行し、世界的な学術誌上（Nature Materials）で論文を発表するとともに、プレスリリース、解説記事、学会などを通じて、広く国内外に成果発信した。さらに、中心骨格を若干変えた分子が集団的な湾曲運動を起こすという新現象も新たに発見している。課題２については、in situ構造解析装置を備えた音波浮遊装置を開発するとともに、音波浮遊した液晶やポリマーが、固体基板上とは異なる分子集合構造を形成することを見出している。加えて、最近では、有機液滴中の分子配向制御にも成功しつつある。したがって、本研究はおおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
シングルドメインソフトマターを形成する物質ライブラリの構築とシングルドメイン形成を可能にする自己集合場を利用し、下記の研究課題を中心に実施する。
課題１については、これまでの研究から得られた知見を活かし、シングルドメイン形成を可能にする合理的な分子設計指針を導き、自発的にシングルドメインを与える系の拡張を図るとともに、機能開拓にも取り組む。具体的には、シングルドメイン化（=分子配向の完全制御）した物質の回転流動や湾曲運動といった力学特性を徹底的に調べる。
課題２については、自己集合性分子群の音波浮遊によるシングルドメイン化を検討する。具体的には、単一成分系の検討から、二成分以上の混合系に展開する。特に、液晶や高分子と相容しない物質を含む混合系や、無機固体一粒を混入させたような、核生成サイトをあらかじめ物質に組み込んだ系で起こる構造化に取り組む。加えて、課題１の分子ライブラリから適切な系を選択し、分子設計と自己集合場設計を融合させたアプローチについても検討する。
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[Journal Article] Chiral crystal-like droplets displaying unidirectional rotational sliding2019
Author(s)
Takashi Kajitani, Kyuri Motokawa, Atsuko Kosaka, Yoshiaki Shoji, Rie Haruki, Daisuke Hashizume, Takaaki Hikima, Masaki Takata, Koji Yazawa, Ken Morishima, Mitsuhiro Shibayama, Takanori Fukushima
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Journal Title
Nature Materials
Volume: 18
Pages: 266-272
DOI
Peer Reviewed
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