2021 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of colloidal crystals with simple cubic lattice by precisely designed polymer-brush-decorated hybrid particles
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21H02000
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
大野 工司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00335217)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 高分子合成 / 高分子構造・物性 / ナノ材料 / 表面・界面物性 / 自己組織化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、我々が独自に開発したポリマーブラシ付与複合微粒子の合成技術を駆使して、単純立方格子型コロイド結晶構築法を開発することである。本年度は、先ず、表面開始リビングラジカル重合によりシリカ微粒子表面に各種ポリマーブラシを導入した。具体的には、光学顕微鏡下で2種類の微粒子を識別するために、ローダミンおよびNBDにより蛍光標識したシリカ微粒子を合成した。この際、反応条件により粒径を200から800nmまで制御した。得られたシリカ微粒子表面にリビングラジカル重合開始基を付与した後、その表面からカチオンおよびアニオンに帯電したポリマーブラシをグラフトすることにより複合微粒子を調製した。この際、グラフトポリマー鎖の分子量、組成を変化させることにより、複合微粒子の構造パラメータを制御した。動的光散乱法、透過型電子顕微鏡を用いて複合微粒子の分散状態および粒径分布を評価した結果、極めて分散性と均一性に優れた微粒子が合成できたことが明らかとなった。カチオン、アニオンにそれぞれ帯電した複合微粒子は、それぞれソフト系コロイド結晶を構築した。この際、非常に大きな粒子間距離を有するコロイド結晶を形成できるという新たな発見があった。カチオンとアニオンに帯電した2種類の微粒子を混合することにより、両者が交互に結合する様子が確認された。さらに、系中の塩濃度が混合粒子系における微粒子の分散挙動に大きく影響を及ぼすことを明らかにした。適切な塩濃度条件下においては、2種類の粒子が交互に分散した結晶様の配列挙動を観測した。また、2種類の粒子の分散挙動を同時に検出できる顕微鏡システムを構築することを試み、来年度以降の測定ツールとして使用できる目処が立った。
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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
イオン性基を有するモノマーを疎水性モノマーと共重合しながらリビングラジカル重合法を行うことは容易ではない。重合触媒配位子、溶媒、温度を鋭意検討した結果、分子量分布の狭い、構造の明確なポリマーを合成することができたことは意義深い。これにより、様々な構造パラメータを有する、カチオンおよびアニオンに帯電したポリマーブラシ付与シリカ微粒子を予定通り、合成できたことが研究を順調に進めている要因の一つである。帯電した複合微粒子が単成分でコロイドを形成することを確認することを当初の実験計画にいれており取り組んだ。この際、コロイド結晶が形成され微粒子の均一性を確認できたことに加え、極めて広い粒子間距離を示すコロイド結晶を構築することに成功し、当初の計画にはなかった成果を得ることができた。また、2種類の異なる微粒子をそれぞれ識別しながら同時に検出できる蛍光顕微鏡システムを立ち上げることにほぼ成功していることは、来年度以降の構造解析に新たな展開を期待でき、非常に意義深いと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
おおむね順調に進行しており研究計画の大幅な変更は必要ないと考えている。カチオンおよびアニオン性基を有するイオン性モノマーの共重合体ブラシを付与した微粒子はそれぞれがユニークなコロイド結晶を形成することが明らかとなった。これは、材料およびデバイス設計の観点からも意義深い実験結果である。しかし、同系の合成できるポリマーの分子量域は狭く、特に、高分子量体の合成に苦労している。この問題を解決できれば基礎・応用の両面から研究の幅が広がることが期待できる。そのため、高圧重合を組み合わせたグラフト重合を行い、この問題の解決に挑戦する。また、２成分系のコロイド結晶を形成する際、当初の実験計画通り、カチオンとアニオンの相補的な相互作用を用いている。イオン系については計画通り、今後も研究を展開していくが、さらに、別の相補的な相互作用系を組み込むことができれば、研究の幅がさらに広がるとか考えている。そのため、次年度以降に水素結合による相補的な相互作用を組み込んだ実験系についても検討していく予定である。
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[Journal Article] Grafted Nanoparticle Surface Wetting during Phase Separation in Polymer Nanocomposite Films2021
Author(s)
Shawn M. Maguire, Michael J. Boyle, Connor R. Bilchak, John Derek Demaree, Austin W. Keller, Nadia M. Krook, Kohji Ohno, Cherie R. Kagan, Christopher B. Murray, Patrice Rannou, and Russell J. Composto
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Journal Title
ACS Appl. Mater. Interfaces
Volume: 13
Pages: 37628～37637
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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