2021 Fiscal Year Annual Research Report
Precise Control of Block Copolymer Volume Fraction and Creation of 3D Bicontinuous Nanostructures by through Click Reactions
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20H02785
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
早川 晃鏡 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (60357803)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ブロック共重合体 / クリック反応 / 体積分率 / ３次元共連続ナノ構造 / ミクロ相分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，クリック反応によるブロック共重合体の精密な体積分率制御を軸にした3次元共連続ナノ構造の高信頼性創成技術の開拓を目指し，合成技術の確立と未だ解明されていない基礎的な課題の解決に取り組み，幅広い発展が望めるナノ構造材料に展開するための基盤研究である.
本年度（令和３年度）は初年度に続き，クリック反応による多様な官能基導入の探索と反応条件の最適化に取り組んだ．特に，高効率な反応として知られるチオール-エン反応及びチオール-エポキシ反応を取り上げ，先にリビングアニオン重合によって精密に合成したブロック共重合体に適用し，任意の側鎖官能基の導入に成功した．ブロック共重合体には，ポリスチレン (PS)とポリメチルビニルシロキサン(PMVS)によるPS-b-PMVS，PSとポリメタクリル酸グリシジル(PGMA)によるPS-b-PGMA，ポリイソプレンとPGMAによるPI-b-PGMAの３種類のブロック共重合体を合成し用いた．
側鎖の導入量はNMRスペクトルにより解析を行い，±5%以内の高い精度で導入量の制御が可能である最適化条件の設定に成功した．一例として，PI-b-PGMAにチオール化合物を導入し得られたブロック共重合体は，穴あきラメラ構造を高い再現性の下，得られることが明らかになった．ミクロ相分離構造は小角X線散乱解析および透過型電子顕微鏡観察により明らかにした．初年度に引き続き，出発が同じブロック共重合体の側鎖官能基の導入量をクリック反応により化学的に制御することで，シリンダー，ジャイロイド，ラメラ構造など共連続構造を含む多様な３次元構造形態の創製が可能であることを示すことに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，初年度で培ったクリック反応の反応条件の最適化と精度の向上を目指し取り組んだところ，チオール-エン反応及びチオール-エポキシ反応において，種々のブロック共重合体への効率的な側鎖官能基導入の確立に成功した．これらの最適条件とその知見を基に，リビングアニオン重合によって精密に合成した種々のブロック共重合体に適用したところ，多様なチオール分子を任意の導入量で側鎖に導入することが可能となった．
これらの基礎的な取り組み，および合成における基盤技術の確立が，本研究の目的となるミクロ相分離に基づく多様な３次元共連続ナノ構造の創製を導いたと考える．本年度後半では，本基盤技術の再現性の確認とその発展を狙い，ジャイロイド構造および穴あきラメラ構造の創製に取り組み，目的とする３次元共連続ナノ構造形態を得ることに成功した．また，３次元構造が形成される過程についても，薄膜構造解析から明らかになりつつある．得られたサンプルの膜厚は数百ナノメートルからミクロンメートルであることから，自己支持性を示す膜としても取り扱うことができ，機能材料への発展性も期待できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度令和４年度は，前年度に培った基盤技術を基に他の種類の３次元共連続ナノ構造の創製に引き続き挑戦することに加え，ナノ構造形態の固定化に挑戦する．前年度までに，計画を前倒しする形でジャイロイド界面を有するナノ構造および穴あきラメラ構造の形成に成功した．これらの３次元共連続ナノ構造を機能材料として利用するためには，構造の安定化が重要になる．ソフトマテリアルである高分子である以上，熱などによる構造の変形や膨潤が容易に起こり，ナノ構造形態の崩壊を招くことがある．本研究は側鎖基へのクリック反応の利用を特徴としていることから，これを巧みに利用した化学架橋によるナノ構造の固定を図る．また薄膜での構造制御の精度の向上を図り，機能材料への発展性に筋道を立てることに取り組む．
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