Elucidation of the mechanical response mechanism of ion conduction using a hierarchical structure

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01997
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35020:Polymer materials-related
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: NAGAO Yuki 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20431520)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原 光生 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10631971) ; 山本 勝宏 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30314082)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 触力覚センサ材料 / 生体模倣 / 機械的負荷応答 / 圧力依存性 / リオトロピック液晶性 / イオン伝導 / 高次構造 / 分子組織化

Outline of Final Research Achievements

In this study, we examined the responsiveness of ion conductivity to mechanical loads applied perpendicular to the surface of sulfonated polyimide membranes organized by lyotropic liquid crystallinity. Using a developed measurement apparatus, we confirmed that the resistance of proton conductivity increased linearly with pressure, particularly identifying membranes that exhibited a sensitivity of 24 MPa^-1, an order of magnitude higher than conventional materials. We found that the response varied depending on the structure of sulfonated polyimide and the ion species in the side chains. The enhancement of structural periodicity and reparability of organization under hydration increased the sensitivity and responsiveness of ion conductivity. This outcome enabled the development of novel sensor materials utilizing lyotropic liquid crystallinity.

Free Research Field

高分子

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、スルホン化ポリイミド膜のイオン伝導性が機械的負荷に応答することについて、リオトロピック液晶性を用いた分子組織化を用いた、生体に近い触力覚センシング技術を切り開いた点で学術的意義を持つ。特に、高次構造の周期性がイオン伝導性の抵抗変化や感度に影響を与えることを見出した知見はインパクトがある。社会的には、この知見はより生体に近いメカニズムを有する触力覚センサなどのウェアラブルデバイスやヘルスケアアプリケーション、人間の皮膚のような高感度かつ自己修復可能なセンシング材料の実現が期待され、未来のロボティクスや医療技術に革新をもたらすことが期待される。