2020 Fiscal Year Annual Research Report
Alkyl-pi Conjugated Molecule Based Liquid Electret
| Project/Area Number |
18H03922
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Materials Science |
|---|
Principal Investigator |
中西 尚志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (40391221)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山室 修 東京大学, 物性研究所, 教授 (20200777)
吉田 学 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究チーム長 (60358330)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 機能性液体 / 液体エレクトレット / π共役分子 / センサ / アクチュエータ / 粘弾性 / ストレッチャブル素子 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は、これまでに分子設計、合成を進めてきたアルキル化π共役分子液体の概念をπ共役ポリマーへ拡張し、分岐アルキル基の鎖長に依存した粘弾性の制御と、粘弾性に依存しないπ共役主鎖由来の一定の発光特性の発現に至ったのが一番の成果である。π共役主鎖骨格は同一にして、分岐アルキル側鎖長を長くするにつれ、粘弾性が減少し、弾性率に着目すると5桁もの違いを見出すことができた。弾性率が大きいとガラス状となり、小さいと液体となる。実際に柔軟性デバイス等へ応用する場合は、光電子活性材料にもデバイス毎に適正な粘弾性が求められるため、発光機能は一定に、粘弾性物性のみを制御できる材料設計方法の概念の確立は、今後より重要になる。
その他、フタロシアニンをπ共役コアにした可視－近赤外光発光機能を有す、分子液体材料の開発にも成功した。その際、アルキル鎖を導入する置換基の配置を制御することで、フタロシアニン環同士の相互作用を精密に抑制でき、近赤外発光機能を有す（効率に関しては改善の余地あり）機能性液体として始めての例として開発に至った。
また、フタロシアニンと同様に拡張π系分子として、ヘキサベンゾコロネンを用いた液体分子の合成、液体状態におけるπ分子間相互作用の有無に着眼した構造解析、および一重項酸素の発生能の評価も実施した。
本科研費事業の成果を含む総説（書籍のチャプター執筆）の発刊も行い、研究のプレゼンスを上げる努力も行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2019年度に、液体ポルフィリンを基材に液体エレクトレットの開発に成功したのを受け、論文成果までは未だ至っていないが、液体ポルフィリンに変わる有能な液体エレクトレット材料になり得る液体分子、ポリマーフルイドの探索が進んでいる。特に、2020年度は拡張π共役系としてフタロシアニンやヘキサベンゾコロネンをコアにしたアルキル化液体の創成と構造解析が完了した。現在エレクトレット性能の評価を実施中である。また、直線上にπ共役系を拡張した共役ポリマーにおいては、柔軟性・伸縮性デバイス加工側でのデマンドとなる粘弾性の制御を、π共役主鎖骨格の光電子機能は保持したまま達成した。この粘弾性制御に関する知見は、用途に応じたデバイスの最適化を検討する際に有用となる。
また、分担研究者である山室＠東大物性研は、アルキル化π分子液体の超高エントロピー性の要因を検討するために、詳細な分子ダイナミクス、空間領域の検討（主に解析）を中性子弾性散乱法や中性子散乱法を駆使し実施した。また、高感度断熱型熱量計を用いたアルキル鎖の乱れ度合いの評価に関しても他のデータと多角的に検討し、論文としてまとめる段階にある。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまで、液体エレクトレットになり得るポテンシャルを持つ分子群として、主にπ共役系が拡張した液体分子の創成を行ってきた。具体的には、ポルフィリン、フタロシアニン、ヘキサベンゾコロネン、一次元共役ポリマーなど。その他、π共役の拡張が上記の分子群より小さい、オリゴパラフェニレンビニレン、アントラセン、ピレンなどを基材としたアルキル化π液体も研究室にストックがある。これら液体材料のエレクトレット化およびデバイス加工の最適条件の探索を早急に実施する必要がある。コロナ帯電装置を設置し一部取組は開始しているが、表面電位計測時のアースの取り方など細かい条件の違いが、定量評価に影響するため、現在慎重に取組を進めている。
液体材料のエレクトレット性能の定量評価条件を確率した後、デバイス構造側の最適化を実施する。特に液体の流動性（自由変形性）を最大限に活かすことができる、伸縮機能、ウェアラブル化に必要な電極側の探索、受電効率向上に適した電極素材・構造などを調査し、伸縮性液体エレクトレット素子性能の最大化を目指す。
大型放射光施設を利用した液体材料の高分子物理的視点からの構造解析や熱的挙動、ガラス転移のダイナミクス解析のデータが着実に蓄積できたため、最終年度となる2021年度は、これらの結果を連動させて解釈し、アルキル化π液体の「物質」としての理解を深化させる。
|
