Ordered structure formation in polymer-brush-decorated-particle/liquid-crystal mixed system

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H02033
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 大野 工司 京都大学, 化学研究所, 准教授 (00335217)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 高分子合成 / 高分子構造・物性 / ナノ材料 / 表面・界面物性 / 自己組織化

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、ポリマーブラシ付与複合微粒子の液晶中における分散および高次構造形成に関して検討するものである。本年度は、表面開始リビングラジカル重合によりシリカ微粒子表面に各種ポリマーブラシを導入した。得られた複合微粒子の液晶（4-cyano-4’-pentylbiphenyl, 5CB）に対する分散挙動はポリマーブラシの種類に大きく依存することを明らかにした。また、ポリマーブラシを付与した微粒子表面に対する液晶の配向状態もポリマーブラシの種類に応じて変化した。さらに、その配向挙動はグラフトポリマーの分子量およびグラフト密度にも大きく依存することが判明した。これは、本研究で用いた表面設計において初めて観察された特筆すべき現象である。また、ある種のポリマーブラシ表面に対してこれまでに実験的に見出されていない配向状態を取り得る予備検討結果が得られており、今後の展開が期待できる。さらに、異方性粒子表面へのポリマーブラシのグラフト化に着手した。ポリスチレンロッド状粒子の合成とそのシリカコーティング、酸化アルミナプレート状粒子の合成経路を確立するとともに、それらの表面へのポリマーブラシ付与に成功した。また、それら異方性粒子自体が液晶を形成することを明らかにし、低分子液晶との複合化という新たな興味深い研究課題に繋がっている。液晶中において、ポリマーブラシ付与複合微粒子が鎖状に配列する様子が観察された。この配列状態は、微粒子の濃度、ポリマーブラシの種類などにより大きく依存し、外場による摂動により配列形態が変化する現象が確認された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

液晶に分散させることができる、構造パラメータの異なる各種複合微粒子を合成することができたことは意義深い。特に、メソゲン基を側鎖に有するモノマーの共重合組成比を制御することにより、液晶に対する分散性が大きく異なることを見出したことは今後の展開を大きく拡げた。ポリマーブラシを付与できる微粒子基材の種類を増やすことができた。特に、異方性粒子に展開できたことは異方性材料の複合化という観点からも極めて興味深い。また、微粒子と液晶との相互作用を系統的に検討するための方法論をほぼ確立することができ、次年度以降に結果をまとめる準備ができた。さらに、液晶中における複合微粒子の配列制御について予定通り検討できている。

Strategy for Future Research Activity

おおむね順調に進行しており研究計画の大幅な変更は必要ない。メソゲン基を有する液晶性モノマーの共重合体ブラシを付与した微粒子は液晶中に極めてよく分散する。これは、材料及びデバイス設計の観点からも意義深い実験結果である。しかし、同系の合成できるポリマーの分子量域は狭く、特に、高分子量体の合成に苦労している。この問題を解決できれば基礎・応用の両面から研究の幅が広がることが期待できる。そのため、高圧重合を組み合わせたグラフト重合を行い、この問題の解決に挑戦する。ポリマーブラシ表面に対する液晶の配向状態において、これまでに報告例のないものが観察された。これを理解するために、理論物理を専門とする研究者とのディスカッションを積極的に行うことが得策であると考えている。液晶中でのポリマーブラシ付与複合微粒子の高次構造形成に関して、外場制御の有用性が見出されており、それを確立するための装置作りを計画している。