2021 Fiscal Year Research-status Report

Electric-field-induced deformation of liquid crystalline elastomers with flexoelectric polarization

Research Project

Project/Area Number	20K05654
Research Institution	Tokyo Polytechnic University
Principal Investigator	平岡一幸東京工芸大学, 工学部, 教授 (50267530)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	液晶エラストマー / 高分子液晶 / 架橋 / フレクソエレクトリック効果 / 人工筋肉
Outline of Annual Research Achievements	【概要】液晶エラストマーは液晶相の異方性とエラストマーの力学的性質を併せ持つ材料である。2021年度は、広がり変形下の架橋反応により配向ベクトル方向を制御した側鎖型液晶エラストマーを作成し、フレクソエレクトリック効果・焦電効果・電界誘起変形を検討した。【実験】主鎖ポリマーとしてポリメチルヒドロキシシロキサンを、メソゲンとしてコレステロール誘導体モノマーを、さらに二官能性の架橋剤を用い、側鎖型液晶エラストマーを得た。X線回折と熱機械測定(針入測定法)により相系列を求めた [glass(33)SmA(120)Iso in ℃]。半経験的分子軌道法を用いて計算したコレステロール誘導体モノマーの分子長軸方向(メソゲン末端から主鎖方向)の電気双極子モーメントは1.1Dであった。偏光顕微鏡とX線回折により配向状態を評価した。フレクソエレクトリック分極の発生は表面電荷測定により評価した。2枚のITOガラス間にシリコーンオイルを満たし、試料片端を固定した状態で電界を印加し電界誘起変形の観察を行った。【結果と考察】引っ張り変形試料中央部は一様に配向した（秩序パラメータS=0.5程度）。等方相へ転移してもS = 0.15-0.2の配向秩序が残っていることから、この等方相は擬似的なネマチック状態であると考えられる。 X線回折より引っ張り変形試料の末端部は広がり変形していることを確認した。表面電荷の温度依存性から、SmA相ではほとんど電荷は発生しないが、液晶相から等方相（擬似ネマチック状態）への相転移に伴いフレクソエレクトリック分極によると推定される800pC/mm2程度の電荷を観測した。等方相において±1ｋV/mmの電界印加により電界方向へ±0.15mm程度の曲がり変形が観測された。架橋によりフレクソエレクトリック分極が固定され、その分極が電界応答したため電界誘起変形が生じたと考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason コロナ禍の影響で年度前半は実験が進ままかったが、後半で進捗が遅れた分をほぼ取り戻した。
Strategy for Future Research Activity	2021年度は広がり変形下における架橋によりフレクソエレクトリック分極の固定化に成功した。2022年度は、曲がり変形などのほかの非対称変形下における架橋により、さらに大きなフレクソエレクトリック分極の発現とその固定化を試みる予定である。具体的には、馬蹄型変形下で架橋した試料を作成し、その配向ベクトルの変形をX線回折ならびに偏光顕微鏡より解析し、そのうえで電荷の温度依存性を測定する予定である。2021年度に検討した広がり変形試料と同様に、相転移に伴う電荷発生の計測からフレクソエレクトリック分極が発現・固定化した材料の開発に取り組む予定である。 2021年度に行った「広がり変形試料のフレクソエレクトリック分極の固定化」については、現在論文を執筆中であり2022年度前半に投稿予定である。また2022年度に取り組む「馬蹄型変形下で架橋した試料のフレクソエレクトリック分極」については、すでに予備実験に取り組んでおり、広がり変形試料と同様に疑似等方相における電荷発現を確認している。この後は定量的な実験を行い、研究結果を2022年度中に学術雑誌に投稿したいと考えている。
Causes of Carryover	当初、現地での研究発表を予定していた国際会議をonline参加による発表としたために予算と使用額に差が生じた。論文執筆時の英文校閲などに使用する予定である。また、最終年度なので、使用薬剤や反応中間体の廃棄費用として使用する予定である。