2014 Fiscal Year Annual Research Report
形態制御されたグラファイト薄膜の創製と形態機能の開発
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25246002
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
赤木 和夫 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20150964)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 哲士 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90589186)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | キラルネマチック液晶 / 不斉反応場 / ヘリカルポリアセチレン / ヘリカル共役ポリマー / 階層的スパイラル形態 / 形態保持炭素化 / ヘリカルカーボン / ヘリカルグラファイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ヘリシティおよび巨視的配向を制御したグラファイト薄膜の創成とその形態機能の発現を目指す。炭素化前駆体として、基板に対して平行および垂直に配向した、階層的スパイル形態を有するヘリカルポリアセチレンを始め、種々の芳香族共役系ポリマー（らせん状ポリエチレンジオキシチオフェン、ウイスカー状ポリメタフェニレン）、さらにはセルロース等の天然ポリマーを対象に、形態保持炭素化法を用いて、形態制御された多種多様なグラファイト薄膜を調製し、特異的形態が作り出す新規の力学的・光学的・電気的な機能や物性を発現・開発することを目的とする。
初年度（一昨年度）は、ヨウ素ドープ後のヘリカルポリアセチレン（H-PA）を前駆体として、形態保持炭素化を用いて、スパイラル形態を有するヘリカルカーボンおよびヘリカルグラファイトを調製することができた。また、前駆体ポリマーの合成に際して、キラル液晶を流動落下法により配向させることで、巨視的配向したH-PAを合成することができ、結果として、巨視的配向したヘリカルカーボンおよびヘリカルグラファイトを意図した通り調製することが可能となった。
二年度（昨年度）は、芳香族共役ポリマーであるポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)を前駆体として、ヨウ素ドーピングに代わって、過塩素酸イオンによる電気化学的ドーピングを採用した。これにより、PEDOTを前駆体する形態保持炭素化が可能となり、前駆体ポリマーのらせん形態が保持されたヘリカルカーボンおよびヘリカルグラファイトを調製することができた。
これにより、形態保持炭素化に必須の過程であるドーピング処理は、ヨウ素による化学ドーピングのみならず過塩素酸イオンをドーパントとする電気化学的ドーピングでも可能であることがわかり、形態保持炭素化法の適応性と汎用性をさらに高めることができた。
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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
現在までに、ヨウ素ドープ後のヘリカルポリアセチレン（H-PA）を前駆体として、形態保持炭素化を用いて、スパイラル形態を有するヘリカルカーボンおよびヘリカルグラファイトを調製することができた。一方、形態保持炭素化法には、前駆体ポリマーにヨウ素ドーピングを施すことが必須であるが、ヨウ素はポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)に対してはドーピング効率が低く、形態保持炭素化を行うことが困難であった。そこで、ヨウ素ドーピングに代わって、過塩素酸イオンによる電気化学的ドーピングを行うことにより、PEDOTを前駆体する形態保持炭素化が可能となり、前駆体のらせん形態が保持されたヘリカルカーボンおよびヘリカルグラファイトを調製することができた。
さらに、ウイスカー状（針状）ポリメタフェニレン (PMP) 誘導体を前駆体として用いることで、ウイスカー状の形態を有するカーボンおよびグラファイトを調製することを可能とした。PMP誘導体はイオン化ポテンシャルが高く、化学ドーピングあるいは電気化学的ドーピングが起こりにくいため、ドーピングを介した形態保持炭素化法をそのまま用いることはできない。そのため、同誘導体の主鎖と側鎖をつなぐエステル部位を加水分解することでカルボン酸基に変換し、ポリマー自体を不融化した後、加熱処理により、ウイスカー状炭素化物およびグラファイト化物を得る新規の手法を開発した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、炭素化前駆体ポリマーとしてヘリカルポリアセチレン（H-PA）およびヘリカルポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)を用いて、ヨウ素による化学ドーピングあるいは過塩素酸イオンによる電気化学的ドーピングを施すことで、形態を保持したままの炭素化およびグラファイト化を実現することができた。さらに、ウイスカー状のウイスカー状（針状）ポリメタフェニレン (PMP) 誘導体を前駆体として、ウイスカー状の形態を有するカーボンおよびグラファイトを調製することができた。
今後は、調製した炭素化物およびグラファイト化物の力学強度および結晶化度を高めるべく、巨視的に配向した共役ポリマーを合成し、炭素化前駆体として用いる。具体的には、高強度・高延伸性のポリアセチレンを合成して、力学的延伸した薄膜を調製する、および、ネマチック液晶を流動落下法により配向させながら、その異方性反応場でアセチレンの界面重合を行い、巨視的に直接配向したポリアセチレン薄膜を合成する。これらのポリマーを炭素化およびグラファイト化に供する。
さらに、炭素化前駆体として用いるポリマーを合成ポリマーにとどまらず、セルロースやパルプ等の天然ポリマーにも拡大する。セルロースは多数のβグルコースが直鎖状に重合した多糖類であるが、π共役系ではないためドーピングそのものが困難であり、ドーピングを介した形態保持炭素化法は適用できない。そこで、ドーピングによるポリマー鎖間の固定化に代わって、アルキルスルホン酸やアリールスルホン酸を用いたポリマーの脱水縮合に基づく炭素化およびグラファイト化を実施する。天然ポリマーを前駆体とする炭素化実験も既に着手しており、良好な実験結果を得ている。
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Research Products
(50 results)
