2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Robot Crystals freely moving by heat and light
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17H03107
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
小島 秀子 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 招聘研究員 (20304644)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ロボット結晶 / メカニカル結晶 / 熱相転移 / 光トリガー相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光や熱などの外部刺激によってメカニカルに動く材料は、ソフトロボットなどへの応用が期待されている。私達は数年前から光を当てると曲がる種々のフォトメカニカル結晶を開発してきた。このようなメカニカル結晶を実用化するに当たっては、屈曲だけでなく多様な動き方をする結晶が必要となる。しかし、メカニカル結晶の開発研究が盛んになった現在においても、屈曲・伸縮といったその場での運動がほとんどで、結晶を別の場所に移動させることは実現できていなかった。最近、私達はキラルアゾベンゼン結晶を相転移点前後で加熱冷却を繰り返すと、結晶は基板の上を尺取り虫のようにゆっくりと動いていくという新しい現象を発見した。さらに、より薄くて長い結晶は、基板の上を屈曲し回転しながら高速で移動するという驚くべき現象も見いだし、ロボット結晶と名付けた。本研究では最初に、この結晶の加熱冷却による移動現象の発現機構を解明する。次いで、新たな移動結晶の探索と創製を行い、その後、熱と光の複合刺激による結晶の多様な動きの創出を検討する。最終的に、異なる動きを示す結晶を組み合わせて、熱と光の複合刺激によって自在に動き回るロボット結晶の実現を目指す。
本初年度は、熱相転移によるキラルアゾベンゼン結晶移動の発現機構の解明、熱相転移による新しい移動結晶の探索と創製、光による結晶移動について検討した。その結果、熱相転移による結晶移動の発現機構を解明することができた。また、当初予想していなかった、結晶の全く新しい「光トリガー相転移」現象を発見した。
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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
熱相転移による結晶移動の発現機構の解明：このキラルアゾベンゼン結晶は、光を当てるとねじれ屈曲することを既に報告している。その研究の過程で、この結晶が145℃で相転移し、しかも加熱・冷却を繰り返しても結晶が壊れない単結晶－単結晶相転移であることがわかった。細長い板状結晶をホットステージに置いて加熱していくとわずかに屈曲する。これは、結晶は熱伝導によって下から暖まるため、先に下部が相転移して結晶構造が変化し、結晶の長さが少し縮むのに対して、結晶の上部はまだ相転移温度に達しておらず、結晶の長さは元のままのために屈曲が生じる。左右で厚みが異なる板状結晶を、相転移点前後で加熱と冷却を繰り返すと、結晶は屈曲を繰り返し、尺取り虫のようにゆっくりと歩いてくことを見いだした。さらに、より薄い板状結晶の場合は、加熱あるいは冷却を１回行うだけで、結晶は高速で走るように移動する。これは、結晶が曲がった時にバランスを保てずに傾いて倒れ込み、勢い余って加速度がつき何回も転がっていくためである。走る速さは秒速15 mmで、歩く速さ（秒速0.0008 mm）より２万倍も速い。結晶の形と動きとの関係を詳細に考察した結果、「歩く」、「走る」の推進力は、結晶の外形が非対称なことから発生することを明らかにした。
結晶の新しい「光トリガー相転移」の発見：ソフトロボットなどへのメカニカル結晶の実用化に当たっては145℃の相転移温度は高すぎるため、もう少し低い温度で相転移する結晶を探索した。その結果、キラルサリチリデンナフチルアミン結晶は、40℃で単結晶－単結晶相転移することを見いだした。驚いたことにこの結晶に光を当てると、マイナス50℃の非常に低い温度から本来の相転移点40℃までの広い温度範囲にわたって、熱相転移と同様の相転移を起こすという、結晶の全く新しい「光トリガー相転移」現象を見いだした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究を継続しつつ、新たに見いだしたキラルサリチリデンナフチルアミン結晶の「光トリガー相転移」の発現機構の解明を最優先課題として研究を推進する。キラルサリチリデンナフチルアミン分子は、結晶中で紫外光照射によりエノール体からトランス－ケト体へと光異性化するが、このことが光トリガー相転移と大きく関わっていると考えられる。解明後は、新規光トリガー相転移結晶の探索と創製を検討する。
新たな研究項目として、熱と光の複合刺激による結晶移動について検討する。上記検討により得られた知見から、熱でも光でも変形する結晶を選択する。加熱・冷却させながら様々なタイミングで光照射し、結晶の変形を観察する。熱のみ、光のみの場合の変形と比較し、熱と光の複合刺激によって創出された新しい動きを明らかにする。移動現象の観察にあたっては、熱源であるヒーターの温度変化周期は一定とし、光源のON/OFFのタイミングや照射時間、照射方向などの条件を変化させる。光と熱の複合刺激によって移動の速さや方向を制御し、自在に動き回るメカニカル結晶を実現する。また、熱と光の刺激によって様々なメカニカル特性を発言する結晶を組み合わせて、熱と光の複合刺激によって自在に動き回る結晶ロボットの作製を試みる。
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Research Products
(20 results)
