2020 Fiscal Year Research-status Report
強誘電リキッドマターの学理探求：物理・化学的性質の解明と機能応用
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19K15438
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
西川 浩矢 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員 (50835519)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 極性ネマチック / 巨大分極 / トポロジー / 強誘電 / キャパシタ / アゾベンゼン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、申請者らは極性ネマチック材料において破格の分極特性（誘電率1万超）を観測し、その巨大分極発現メカニズムを種々の実験結果から総体的に理解する研究を行ってきた。通常、極性対称と流動性は同時に満たせず自発分極は保持されない。本研究では、この非普遍性を流動・分極・トポロジー相関に結びつけ、実験的・解析的アプローチにより明確化し、特異的創発性を活かしたユニークな機能性の探求を目指す。具体的には (1) 偏光顕微鏡、非線形光学による直接観察から流動と誘起トポロジー/誘起分極の相関を理解する。(2) 極性ネマチックの粘弾性の物性解析ならびにせん断に伴う時間平均化した誘電率を評価し、これまでに評価されていないせん断に伴う分極量の評価を試みる。(3) (1)、(2)で得られた知見をもとに強誘電発現メカニズムを流動誘起トポロジーの観点から総体的に解明する。さらに、強誘電リキッドマターの探究ならびにそれを用いた素子の開発を目指す。R2年度ではR1年度に引き続き極性ネマチックの巨大分極特性に着目し、光照射によって空間的に静電容量を劇的に可変することのできる光変調キャパシタ（PVC）の研究を行った。特に近年非常に注目されている脱着可能なスマート材料のためのウェアラブルデバイスを考慮し、従来のUV光-Vis光駆動型PVCを改良した非UV光駆動型PVCの開発に取り組んだ。本研究では緑色光（530 nm）と青色光（410 nm）で光異性化が実現する新規四置換フッ素アゾベンゼンを分子設計・合成した。これをフェロネマチック材料に導入することにより、静電容量が0.34 μF ～7.0 nFの範囲で迅速に光大変調可能な非UV光駆動型PVCの開発に成功した。驚くべきことに熱、光、電気などの外部刺激応答型の誘電体群と比べると、新型PVCの変調能は99.5%以上の破格の性能を持つことが分かった。
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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
昨今のエレクトロニクスは小型化と高機能化が同期した形で急激に発展しており、持ち運べるだけでなく身に着けたまま利用可能な機能材料を開発するウェアラブル技術分野が加速的に発展している。現状、ハードデバイスの固さとそれを着用するヒトの柔らかさや形状のミスマッチが大きな課題である。そこでR1年度ではソフトマテリアルである極性ネマチック材料を用い、UV-Vis光によって空間的に誘電率・静電容量が大変調可能なPVCの開発を行った。しかしながら、UV光は人体に極めて有害であるためウェアラブル素子に用いることができない。そこでR2年度では新規光応答性分子の設計・合成を行い、PVC素子の作成を行った。設計した四置換フッ素アゾベンゼンのtrans―cis異性体のDFT計算を行った結果、cis異性体のn-π*遷移エネルギーはtrans異性体のそれよりも大きくなることが予測できた。これはtrans異性体のcis異性体のn-π*遷移に起因するUV-Visスペクトル帯の分離が可能であることを示唆している。実際にUV-Visスペクトルを測定した結果、trans異性体とcis異性体のスペクトルは各々530、410 nmに出現し、溶液・液晶中で対応する緑色光と青色光を交互に照射することで光異性化ができることが分かった。新規アゾ材料を用いてPVCを作成し、誘電特性を評価したところ、従来のUV-Vis光駆動型PVCとほぼ同様の特性を示すことが分かった。また、交互光照射を100回ほど繰り返しても疲労は認められず安定して光駆動できることが分かった。さらに本PVCを電子音波発生器に組み込み、光照射に伴う音声変化を録音、解析し、そのスペクトログラムを作成することで静電容量変化を視覚化することに成功した。以上、R2年度では非UV光駆動型PVCの開発に成功し、現在論文投稿段階にある。以上のように研究は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、極性ネマチックの強誘電発現メカニズムの解明と強誘電リキッドマターの探究とその応用展開を目指し、基礎・応用の両面から研究を行うものであり、次のに研究項目にならい遂行するものである。(1) 流動に伴う誘起トポロジー/誘起分極の相関解明（R1年度）、(2) 流動に伴う粘弾性と誘起トポロジー/誘起分極の相関解明（R2年度）、(3) 強誘電発現メカニズムの解明と素子開発（R3年度）。このうち、R１年度ならびにR２年度に課題(3)を優先的に遂行したため、大幅に次年度使用額が生じてしまった。最終年度では予定通り課題(1)、(2)を行い、次年度使用額を速やかに消費する予定である。
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| Causes of Carryover |
R1年度の研究成果を論文にまとめていたが、さらなるインパクトを追求し、R2年度にも同研究を継続した。それに伴って論文内容を大幅に改変したため投稿が遅延している。使用額は論文投稿費に充てがう予定であったが上記の理由の通り投稿が遅延しているため次年度使用額が生じてしまった。最終年度では論文を投稿する予定であり、次年度使用額は論文投稿費に用いる。
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Research Products
(2 results)
