2017 Fiscal Year Research-status Report

ランダムな内部構造を持つ多孔質高分子粉体による構造色の研究

Research Project

Project/Area Number	17K06007
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	佐光貞樹国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主任研究員 (80432350)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	構造色 / ポリ塩化ビニル / 屈折率 / クリスチャンセン効果 / 光散乱 / 多孔質 / 微粒子
Outline of Annual Research Achievements	構造色は屈折率の空間変化によって起きる光の分散現象である。構造色の報告例は、ほとんどが屈折率の周期構造によって生じる光の干渉や回折によるもので、非周期構造での構造色は報告例が極端に少ない。また、透過光による構造色は研究例がわずかで、その実現を志向した研究が増えつつある。そこで本課題では、周期構造を用いない透過性構造色の研究を行なう。本申請の着想の原点は、多孔質な塩化ビニル粉体が、屈折率の一致したスチレンモノマーを吸収したときにオレンジ色の構造色を発現することを偶然見出したことである。採択後にさらに詳細な文献調査を行なったところ、100年以上前に報告されたクリスチャンセン効果と呼ばれる発色現象である可能性が示唆された。この現象は、有機液体中に分散した無機微粒子で研究されていたが、高分子などの有機材料でできた微粒子ではほとんど研究されていなかった。そこで本年度は、見出した現象がクリスチャンセン効果であるかどうかを確かめるために検証実験を行なった。実験で明らかになった特徴を列挙する：（１）使用する液体の屈折率がポリ塩化ビニルに近いときに構造色が現れる、（２）白色光で照明すると、特定波長の光のみが試料を透過し、その他の波長の光は散乱光となる、（３）透過光と散乱光は補色の関係にある、（４）構造色は試料を撹拌した状態でも維持される、（５）使用する液体の屈折率に依存して構造色が変化する。これらの実験結果はクリスチャンセン効果の原理と矛盾せず、本現象の発現機構がクリスチャンセン効果である可能性が高くなった。さまざまな有機液体を使用して構造色の透過光スペクトルを測定した。クリスチャンセン効果の原理によると、液体の屈折率と固体の屈折率が一致する波長で透過光強度が最も高くなる。透過光のピーク波長と液体の屈折率の波長依存性の比較からポリ塩化ビニル粒子の屈折率の波長依存性を実験的に求めた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本課題の主目的の一つは、新たに見出した構造色の発色原理を明らかにすることであった。広範な文献調査・分野の異なる研究者との議論・さまざまな検証実験を行なった結果、見出した現象が他分野でクリスチャンセン効果として報告されていた既知の現象であると見当をつけることができた。発色原理が推定できたので、今後は系統的な研究計画に基づく着実な進捗が期待できる。
Strategy for Future Research Activity	本年度で、クリスチャンセン効果の原理に基づいてポリ塩化ビニル微粒子の屈折率の波長依存性を実験的に測定した。そこで次年度は、ミー散乱理論に基づき、実験的に求めた各液体と粒子の屈折率の波長依存性から透過光スペクトルと散乱光スペクトルが再現できるかどうかを検証する。光学の専門家の協力を得て、精度の高い数値計算を行なう予定である。
Causes of Carryover	研究開始当初は発色の現象が未解明であったため、原理を解明するために多数の試行的実験が必要になることが想定された。研究の当初に、広範囲の文献調査と異分野研究者との議論を精力的に行なったことで、全く分からなかった発色原理のメカニズムを推定することができた。推定したメカニズムに基づいて検証実験を行なったので、当初計画していたよりも試行的探索の実験数が少なくすることができた。繰り越した予算額は、研究計画をさらに先に進めるための予算として充当する予定である。