Piezoelectric Soft Materials Based on Magnetically Oriented Cellulose Nanocrystals

Research Project

Project/Area Number	19F19063
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	外国
Review Section	Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Host Researcher	石田康博国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (20343113)
Foreign Research Fellow	ANNAMALAI PRATHAP 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2019-07-24 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000) Fiscal Year 2021: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000) Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords	超分子ゲル / ナノコロイド / 異方性 / 構造色 / 複合ソフトマテリアル
Outline of Research at the Start	本研究では、磁場配向したセルロースナノ結晶を機能性超分子ゲルに埋め込むことにより、巨大な圧電効果を示すソフトマテリアルの開発を目指す。非対称な巨視的配向構造を持つ弾性体がもし手に入れば、その弾性変形により大きな分極が生じる(圧電効果)ことが、理論的に予測されている。この予測を実験的に証明する上で、磁場配向したセルロースナノ結晶を埋め込んだゲルは、非対称性・配向性・弾性を兼ね備えた理想材料となりうる。これまで利用価値のなかった微弱な力学エネルギーを電気エネルギーに変換する、革新的なエネルギー変換材料となることが期待される。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、磁場配向したナノコロイド(無機ナノシート、セルロースナノファイバーなど)を機能性超分子ゲルに埋め込むことにより、ユニークな機能を発現する複合ソフトマテリアルの開発を目指す。この目的にふさわしい超分子ゲル化剤を探求するとともに、これを用いて磁場下にてコロイド分散液をゲル化することで、非対称な配向構造を持った超分子ゲルを作成するともに、その光・電気物性を精査する。昨年度の検討の結果、イソロイシンとフェニルアラニンの環状ジペプチドが、水とジメチルスルフォキシドとの混合物をゲル化するための優れたゲル化剤として機能することがわかった。そこてで今年度は、水中に分散したセルロースナノ結晶や無機ナノシートを磁場配向させた状態にて、この環状ジペプチドを用いて系全体をゲル化させることにより、異方的なナノ構造を持つソフトマテリアルを開発した。また、この異方的な構造ゆえの機能を探求したところ、この複合ソフトマテリアルは周期構造に基づく美しい構造色を示し、またその角度情報を、超分子ゲルの溶解・再ゲル化を通じ、消去・書込できることが明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 2020年度上半期に見出された超分子ゲル化剤を、水中に分散したセルロースナノ結晶や無機ナノシートと複合化させたところ、繰り返しの角度情報書込・消去に耐える構造色材料など、想定以上に興味深い機能を示した。
Strategy for Future Research Activity	一昨年度および昨年度に開発した、キラルな内部構造を持つヒドロゲルの構造ならびに機能を総括的に精査する。構造解析には、小角X線散乱、偏光顕微鏡、共焦点顕微鏡を用いて行う。また、大振幅振動せん断測定解析システムを用いて、時計回りのせん断、反時計回りのせん断を印加し、力学的な応答に非対称性が存在するかどうかを検証する。