2019 Fiscal Year Research-status Report
Novel liquid crystalline compounds: the phase transition mechanism of calamitic-discotic bimesomorphism
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19K05630
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
清水 洋 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 特任教授 (40357223)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河合 壯 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (40221197)
内田 欣吾 龍谷大学, 理工学部, 教授 (70213436)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | πーπ相互作用 / 異方的分子間力 / カラムナー相 / スメクチック相 / 双液晶性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
棒状液晶の示すスメクチック液晶相と円盤状液晶の示すカラムナー液晶相の両液晶相を熱相転移及び光相転移の両相転移過程で示す世界で最初の双液晶性化合物は分子中心に比較的大きな環状π電子共役系のトリフェニレンを、またその周辺に棒状液晶性を示す直鎖テトラデシロキシアゾベンゼン部を６個エステル結合を介して結合している。この化合物がある温度範囲で分子の異方的形状が棒状や円盤状に振る舞う相転移では分子のコンフォメーション変化が生じることを想起させる。この化合物の液晶相転移機構の解明のため、作成した配向試料についてSPring-8における高輝度X線を用いた散乱実験を行った。
本年度は、スメクチック相について比較的良好な均一性を有する単一配向ドメインを持つ試料を得ることができ、その散乱パターンを測定し、その解析を実施したところ、高温側で発現するSmA相（棒状液晶相）とその低温側で形成されるカラムナー相（円盤状液晶相）のうち、SmA 相ではその層状構造の層内秩序に、弱いながらも分子の中心に位置するトリフェニレン環間でface-to-faceの相互作用の存在が示唆された。SmA相における配向ドメインとそれを冷却することにより得られるCol相の散乱パターンの異方性からこのトリフェニレンートリフェニレン間の相互作用が低温側のCol相（トリフェニレン環同士の積層構造で形成される）形成、即ち、温度低下に伴い減少する分子の運動性のもと、SmA相→Col相の相転移の駆動力となっていることが推測され、カラミチックーディスコチック液晶相転移を示す新たな分子への分子設計指針として重要な知見となる可能性が出てきた（論文投稿中）。
また、相当するアルキル同族体について微量存在する反応中間体の液晶相転移への影響を再検討した。更に、エステル結合の代わりにエーテル結合により結ばれた直鎖ドデシル誘導体はより多様な液晶性を示すことが示唆される結果を得た。
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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
かなりてこずったが配向試料がうまく作製できたことによって、SPring-8における高輝度光を用いた短時間露光での計測（試料ダメージが大幅軽減される）が実現でき、精度良く相転移時の分子形状の異方性に関する情報が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの実験結果の考察から、末端アルキル基の鎖長により分子中心のトリフェニレン環間のface-to-face相互作用が変化することが推測される。この考えから今後は、アルキル同族体についてこれまでと同様の手法を用いた実験、解析を実施し、この推測の妥当性を検証するとともに、Gaussianを用いた分子エネルギーの計算も並行させて実施、分子の化学構造の部分的分子間相互作用とこの双液晶性の発現プロセスとの相関を解明する。これにより、機能材料への展開研究を可能にすると考えられる双液晶性化合物の分子設計論の確立を目指す。また、同時に光による等温相転移としても同じ双液晶性が示されることについても考察を行う。また、アゾベンゼン部とトリフェニレン部の結合基の差による液晶性の違いを調べ、分子設計指針の対応可能な範囲を拡大する方向でエーテル結合系についても同様の研究を行う。また、より多様な液晶相転移を示すエーテル誘導体については液晶等ソフトマターのX線回折法による構造解析で実績のあるフランスのストラスブール材料物理・化学研究所のグループと共同で複雑化の様相を見せる液晶相構造の解明を図るべくコンタクトを始めており、より迅速にかつ正確な詳細解明を実現する方向で研究を実施する。
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| Causes of Carryover |
研究補助員の雇用計画が研究代表者の実験室借入準備の遅れで年度内雇用が実現しなかった。また、新型コロナウイルスの問題で発表予定の学会が開催中止（発表要旨に記載の内容は既発表として扱われた）となり予定していた旅費が未使用となっている。研究補助員雇用による研究加速については、新型コロナウイルスの状況にもよるが年度後半に雇用を行い、当該双液晶性化合物の分子配向が制御された液晶状態に関する偏光顕微鏡による光学観察や理論シミュレーションによる分子のエネルギー計算を実施して、次年度の予定されているSPring-8 での高輝度光X線散乱測定の結果と総合し、相転移における配向秩序構造変化のメカニズムを明らかにする。これまでの、学会等発表については次年度前半の学会会合は多くが中止となる可能性があるため、次年度末までに開催予定の国際会議を含めた学会等において成果発表を行う。
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