2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical and Experimental Studies on Nanostructures Based on Chiral Liquid Crystals
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19H02537
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| Research Institution | Kitasato University |
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Principal Investigator |
渡辺 豪 北里大学, 理学部, 准教授 (80547076)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 純 日本大学, 文理学部, 准教授 (60585800)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | キラル液晶 / 分子動力学 / キラル金属錯体 / ソフトマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、計算科学的手法と実験科学的手法を連携した新規なアプローチにより、キラル分子に剛直な骨格を持つ八面体型金属錯体を用いたキラル液晶における金属錯体の分子構造ねじれと系全体に発現するらせん構造との相関関係の理解、さらにはナノスケールのらせん構造における制御因子の提案を目指している。
令和三年度の計算科学による研究において、分子動力学(MD)シミュレーションを基盤とした、キラル金属錯体の物性を予測する手法を様々な系に対して用いることで、ゲストであるキラル錯体ドーパント分子とホスト液晶の相関関係解明に取り組んだ。キラル錯体ドーパント分子のホスト液晶に誘起するらせん構造の巻き方向は単純にドーパントのみで決定されるのではなく、液晶分子とドーパント分子の排除体積効果と双極子モーメントに由来する相互作用の競合で決まることが分かった。また、C3対称性で側鎖に長鎖アルキル鎖が導入されたキラル錯体分子が形成するカラムナー液晶の構造をMDシミュレーションによって明らかにした。
合成実験では、前年度に合成した高いらせん誘起力を示す錯体ドーパントが液晶物質との相溶性も高いことが分かり、可視光波長程度のらせん周期に由来する選択反射が観測された。通常、らせん誘起力と相溶性はトレードオフの関係にあるが、前述の分子ではいずれもが比較的高い値にある。ただし、その代償として発現する液晶相の温度範囲が狭くなっていることが示唆された。
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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
計算科学サイドの研究は、MDシミュレーションを用いて、置換基の種類や数が異なるキラル錯体ドーパント分子と、誘電率異方性が正と負の値を有する棒状液晶分子の組み合わせによってらせん構造の巻き方向が異なる要因を明らかにした。
実験科学の研究では、らせん誘起力が高く、液晶MBBAへの相溶性が高いキラルドーパント分子は、DSC測定によりドーパント濃度が高くなるにつれて、液晶相の温度範囲が顕著に狭くなる傾向が見られた。また、ドーパント濃度が高い場合には、錯体ドーパントでは比較的珍しい選択反射の観測にも成功した。これらの結果は、液晶相の温度範囲も基本的なパラメータとして評価する必要性を示唆する。
八面体型金属錯体分子をドーパントとしたキラル液晶のデータベース構築のために重要な知見が得られており、本研究課題は概ね順調に進んでいるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
計算科学を用いる研究においては、MDシミュレーションを中心とした手法で、系統的に分子構造が異なるキラル錯体ドーパントのらせん誘起力や液晶への相溶性を解析して、データベースの拡充を行う。
また、これまでのドーパント評価では多くの場合に、らせん誘起力と溶解度の2つの観点から議論が行われてきた。これまで開発してきた錯体ドーパントについても、液晶相の温度範囲を再調査することで、錯体ドーパントの特異な挙動を解明したいと考えている。
最終的には、キラル錯体分子をドーパントとするキラル液晶の発現条件を明らかにすることを目指す。
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Research Products
(12 results)
