2022 Fiscal Year Research-status Report
Unveiling trans-scale relationship between dynamic bonds and mechanical properties by homogeneous polymer networks
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21K14678
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中川 慎太郎 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (40806642)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 架橋高分子 / ゴム / エラストマー / 力学特性 / 粘弾性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ゲルやゴム等の架橋高分子は、多様な用途を有する産業上重要な材料である。架橋高分子を構成する三次元高分子網目に、弱く可逆な動的結合を組み込むことで、力学的な強靭性や自己修復性などの優れた機能を付与することができる。本研究の目的は、種々の動的結合が架橋高分子の物性に及ぼす効果を、動的結合の種類によらない普遍的法則として解明することである。そのために、構造を精密に制御したモデル架橋高分子の合成および特性評価、および量子化学計算等を用いた動的結合の特性評価を組み合わせた、スケール横断的な解析を行う。本年度の研究成果は、大きく分けて以下の2つである。
【成果1】 前年度に確立した合成手法に基づき、まず種々の動的結合を導入するための共通のベースとなる高分子を大量に合成した。そして、動的結合として金属-配位子相互作用を有するモデル高分子を合成したほか、新たにイオン相互作用および水素結合を形成する官能基の導入にも成功した。これにより、動作原理の異なる三種類の動的結合を同一条件で定量的に比較評価可能な架橋高分子系を確立した。得られたモデル高分子の動的粘弾性を解析し、動的結合の分子レベルの解離・会合ダイナミクスが粘弾性特性に反映されていることを示唆する予備的結果を得ることができた。
【成果2】 前年度に検討したポリエステル系高分子からなる構造均一な架橋高分子の力学特性を調査したところ、当初想定していなかった新たな知見を得た。当該架橋高分子は、顕に動的結合を導入していないにも関わらず優れた伸長性と靭性を示したほか、既存材料をはるかに凌駕する顕著なひずみ硬化性を示した。その場X線散乱法による解析の結果、印加されたひずみにより、高分子鎖が動的に秩序化し硬化することが、特異な物性の原因であることが分かった。当初想定していた形とは異なるが、これも一種の動的な構造による材料強化原理の発見であると言える。
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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
三種類の異なる動的結合の働きを直接比較評価するためのモデル高分子系の開発が完了した。それらのモデル高分子の動的粘弾性特性が進んでいる。さらに、構造均一な架橋高分子の検討から、動的な秩序構造形成という新たな材料強化原理を見出すという当初の想定を超える成果を得た。以上から、本研究は当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、本年度に開始したモデル高分子の動的粘弾性の検討を進め、完了させる。過渡的架橋系の動的粘弾性を記述する既存の数理モデルと、実験で得られたデータの比較により、各種動的結合の振る舞い（結合確率・結合寿命など）を定量化し、分子レベルの構造との関連付けを行う。金属-配位子結合については、分光学的手法による結合確率の直接観察を試み、粘弾性解析で得られた知見をさらに補強する。水素結合については、量子化学計算による分子レベル特性を粘弾性解析の知見と結びつける。そして、これまで培ってきた、動的結合に関する知見と、均一架橋高分子に関する技術とを統合し、種々の動的結合による材料強化の普遍的法則の確立を目指す。
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