2019 Fiscal Year Annual Research Report
環状混合ソフトマテリアルの絡み合い制御による超ゴム弾性発現の分子論的解明
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19H00905
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
陣内 浩司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20303935)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 敏文 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80291235)
萩田 克美 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 応用科学群, 講師 (80305961)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 環状混合ソフトマテリアル / 環状高分子 / 分子トポロジー / 延下ナノ構造観察 / 電子線トモグラフィ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単環状や多環状・かご型などの複雑な分子トポロジーをもつ環状高分子（環状鎖）は、線状高分子（線状鎖）の貫入を許し線状鎖を拘束するため、従来の管模型（レプテーション）で表現される絡み合いとは全く異なる未知の動的挙動を呈する。このような少量の環状鎖を線状鎖に添加した系（環状混合ソフトマテリアル）における「環状鎖の環の大きさや導入量」という系の自由度に関する基礎科学は、理論・シミュレーション・実験のいずれについてもほぼ手つかずの状態で残されてきた。本研究は、多様な分子トポロジーをもつ環状鎖の線状鎖との相互作用を分子論的に明らかにし、この新しい系でのダイナミクスの基本原理の構築を行う。
研究初年度である令和元年度は、様々な分子トポロジーをもつ環状鎖の精密重合の試行を行い、ポリジメチルシロキサン（PDMS）の環状鎖から構成される環状混合ソフトマテリアルのモデル系を構築した。また、本研究で本来対象としている架橋ゴム系に添加するためのゴム系の環状鎖の大量合成についても検討を行った。次に、上記のPDMSモデル系に対して、大変形下での応力-歪み挙動を調べ、環状鎖の添加に伴い環状混合ソフトマテリアルの破断歪みが大幅に増大するという興味深い予備結果を得た。この結果は、環状鎖が線状鎖の架橋網目構造に力学的な影響を及ぼすことを実証するものである。
さらに、延伸挙動下での環状混合ソフトマテリアルの構造変化を電子顕微鏡により「その場観察」するために必須となる高速・高感度電子顕微鏡用カメラの導入を行い、電子顕微鏡観察時の最適な実験条件についても検討を行った。
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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
初年度（令和元年度）の研究検討項目については、以下の3項目を設定し、全ての項目について当初予定していた研究事項を達成した。具体的には、(i)様々な分子トポロジーをもつ環状鎖の精密重合、(ii)ナノフィラーを含む網目構造（ナノフィラー含有ゴム）に環状鎖を導入した環状混合ソフトマテリアルの作製、(iii)その力学測定による動的架橋点（仮説）の検証と超弾性の実現、(iv)延伸状態下での環状混合ソフトマテリアルの３次元ナノ動的観察と計算機シミュレーションとのデータ同化による環状鎖の分子スケールでのダイナミクスの可視化、である。
まず、上記の(i)と(ii)について、金属配位を用いた高分子環化法に基づき、合成の比較的容易なポリジメチルシロキサン（PDMS）に取り組んだ。PDMSの環状鎖合成を行い、これを直鎖状PDMSに混合した環状混合ソフトマテリアルのモデル系を作製した。当初の予定では、架橋ゴム系の環状混合ソフトマテリアルに取り組む予定であったが、ジエンゴム系の環状鎖精密合成において、力学試験に必要な大量合成の際の実験条件の検討に予想以上の時間を取られたため、まずは実績のあるPDMSに取り組んだ。次に、上記(iii)について、PDMSモデル系において、環状鎖の添加量・環状鎖の分子量・PDMS網目構造の架橋点間の分子量などを変化させ、大変形（延伸）実験に取り組んだ。その結果、少量の環状鎖により環状混合ソフトマテリアルの破断歪みが大幅に増加するという非常に興味深い予備結果を得た。さらに、上記(iv)に関連して、この項目の遂行のために高速・高感度電子顕微鏡用カメラの導入し、試料へのダメージを防ぐ低電子線照射量における撮像の可能性について評価し、次年度以降の環状混合ソフトマテリアルの構造観察のために最適な実験実験条件について検討を行った。
以上、初年度は次年度以降に繋がる十分な成果を出すことが出来、研究全体は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究を進めるに当たり、おおよそ順調に進んだ令和元年度の予備検討結果を引き継ぎ、さらに深化させていくことにする。
具体的には、PDMSをベースとした環状混合ソフトマテリアルについて、これをモデル系の一つとし、環状鎖の分子トポロジーを変化させ、また、環状鎖の添加量や架橋密度などを変化させ、引張試験機による応力-歪み曲線（SS曲線）の精密測定を行うこととする。この実験により、材料の力学的性質に対する環状鎖の添加効果を実験的に明らかにする。そして、その実験結果を計算機シミュレーションと連携することで、環状混合ソフトマテリアルにおける環状鎖の線状鎖との絡み合い効果を明らかにしてゆく。
なお、本研究は、本来、架橋ゴム系を想定している。そのため、上記のPDMS系に加え、ジエンゴム系の環状鎖の精密合成を実現することが急務である。現在、合成手法については確立しているものの、力学試験に必要な量を確保する大量合成に関する検討が必要であり、今後はこの項目を精力的に進める。ゴム系の環状鎖が実現すれば、これをナノフィラー含有架橋ゴムに添加し、上記のPDMS系と同様、引張試験機によるSS曲線の測定を行う。なお、このゴム系については、昨年度に導入した高速・高感度電子顕微鏡用カメラを用い、電子線トモグラフィ（３次元電子顕微鏡法）による３次元構造を観察、さらに延伸下でのその場観察実験を行う予定である。さらに、これらの実験結果に基づく計算機シミュレーションを行い、SS曲線の再現などに着手する。
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