2022 Fiscal Year Annual Research Report
Functionalization of hard polyrotaxane materials facilitated by in-situ structural analysis and control of the dynamics
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20H02794
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
加藤 和明 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80570069)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小椎尾 謙 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (20346935)
星野 大樹 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 准教授 (20569173)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ポリロタキサンガラス / シクロデキストリン / 機械的結合 / 気体分離膜 / 分子運動性 / バルジ試験 / エックス線散乱 / 接着界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
放射光を用いたX線ナノビームによる界面の構造解析により、金属基板界面におけるポリロタキサンガラスの局所的なひずみと分子配向の深さ依存性を明らかにした。接着力の異なるポリロタキサンガラスを比較したところ、接着力の高いポリロタキサンガラスの場合、界面から20マイクロメートル以内にひずみが集中していることが明らかになった。一方で接着力が弱い場合、界面近傍でのひずみの集中は見られず、界面からかなり離れた領域までひずみが分散していた。接着力が高い場合に見られた界面近傍のひずみを詳しく解析したところ、界面から7マイクロメートル付近に最も大きなひずみの集中が見られたが、印加する応力が大きくなるにつれてひずみが集中する領域が次第に広がっていく様子が観測された。一方、分子の配向についてはほとんど観測されなかった。バルク材料の延伸ではネッキングに伴い、相分離と分子の配向が起こるが、界面ではひずみが拘束されているためであると考えられる。こうして、ポリロタキサンガラスの主成分であるシクロデキストリン誘導体特有のX線散乱をプローブにした新たな構造解析法を用いることで、金属基板に埋もれた接着界面の構造解析を実現し、局所ひずみの非局在化と接着力との関係を示した。
また、ポリロタキサン薄膜の気体分離メカニズムの解明に向けて、バルジ試験下での偏光光速度カメラを用いた同時測定を行った。その結果、既存の高分子ガラスでは見られない複雑な分子配向が、特にバルジ中心付近で見られることが明らかとなった。バルジ中心では薄膜が等二軸延伸を受けていると考えられるため、多軸応力下でのポリロタキサンガラス特有の現象が示唆された。そこで、放射光X線マイクロビームを用いて、バルジ中心の構造解析行った。X線ダメージにより連続的な照射ができなかったものの、様々な化学構造を有するポリロタキサンガラスの散乱データの取得に成功した。
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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
本年度はSPring-8で４回の実験ができたため、昨年度まで後回しになっていた構造解析が大幅に進捗した。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までのバルジ試験下での構造観察を通して、ポリロタキサンガラスの多軸応力下では特異な構造変化を示すことが示唆された。本年度はまず、放射光X線マイクロビームを用いた測定で得られた散乱データを用いて、局所ひずみと分子配向の解析を行う。バルジ中心から離れた場所の構造解析も同時に行い、一軸延伸で起こる薄膜内での構造変化との比較を行う。こうして得られる解析の結果をもとに、ポリロタキサンガラス特有の機械的結合ネットワークが加圧下で示す構造変化と気体透過性との相関を明らかにする。また、金属基板に埋もれた接着界面におけるポリロタキサンガラスの構造解析の結果についても、局所ひずみの非局在化等が接着力に及ぼす効果を考察し、これらの研究成果を学術論文にまとめて公開する。さらに、この新規構造解析法が、ポリロタキサンガラスに限らず、シクロデキストリン等の硬い環状分子を分散させた材料に広く適用できることを、一般的な高分子接着剤を用いた同様の測定を行うことで実証する。
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