高耐衝撃性とガラス転移ダイナミクスの精密設計を実現するポリロタキサンガラスの創成

• 研究課題/領域番号: 16H06050
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 高分子・繊維材料
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 加藤 和明 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (80570069)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 25,220千円 (直接経費: 19,400千円、間接経費: 5,820千円); 2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2018年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2017年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円); 2016年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
• キーワード: ポリロタキサン / ガラス転移 / シクロデキストリン / 幾何学的拘束 / X線散乱 / ダイナミクス / 強靭化 / 分子内相分離 / ポリロタキサンガラス / X線回折 / 分子内距離相関 / 靱性 / 包接 / 薄膜 / 構造解析 / 強靭化機構 / 放射光X線回折 / 応力緩和 / 薄膜化 / 高分子構造・物性 / 力学物性 / 放射光X線 / クレーズ / 高分子鎖のスライド / 延性 / 放射光 / ボソンピーク

研究成果の概要

高分子と環状分子が幾何学的に拘束されたポリロタキサンのみからなる新規硬質材料「ポリロタキサンガラス」について、様々な誘導体からなる材料物性の系統的な研究を行った。その結果、1)環状成分の運動が凍結したガラス状態にも残っている主鎖高分子の大運動、2)力学的タフネスを生み出す主鎖高分子と環状成分の伸長誘起相分離、3)各成分間の幾何学的拘束によるガラス転移の大幅な遅延とその分子設計による制御、4)ガラス状態における主鎖高分子の運動性と力学的タフネスとの相関が明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

上記の研究成果は全て、既存の高分子材料には存在しない分子運動性や幾何学的な拘束に由来する材料物性を明らかにしたものであり、これまでとは全く異なる分子設計により材料物性が制御できることを明確に示している。このポリロタキサン特有の分子設計指針を用いることで、既存の材料の強靭化や機能化の実現も期待される。また、ポリロタキサンという構造が明確な分子を用いることで、通常の高分子材料でも見られるが観測や制御が困難な幾何学的拘束についての詳細な考察を可能とし、ガラス転移機構の解明にも資する学術的に非常に重要な研究成果となった。

研究成果

• [雑誌論文] Prolonged Glass Transition due to Topological Constraints in Polyrotaxanes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Kazuaki、Ohara Akihiro、Yokoyama Hideaki、Ito Kohzo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 号: 32 ページ: 12502-12506
  • DOI: 10.1021/jacs.9b06063
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Determination of Cross-Link Density and Its Correlation with the Elastic Modulus of a Gel with Slidable Cross-Links (2019)
  • 著者名/発表者名: Kato Kazuaki、Ikeda Yuta、Ito Kohzo
  • 雑誌名: ACS Macro Letters 巻: 8 号: 6 ページ: 700-704
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.9b00238
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Mechanical Toughening of Polylactic Acid without Substantial Decreases in Stiffness and Transparency by the Reactive Grafting of Polyrotaxanes (2019)
  • 著者名/発表者名: Guan Li, Kazuaki Kato, Koichi Mayumi, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito.
  • 雑誌名: Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry 巻: 93 号: 1-2 ページ: 107-116
  • DOI: 10.1007/s10847-018-0857-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] An efficient synthesis of low-covered polyrotaxanes grafted with poly(ε-caprolactone) and the mechanical properties of its cross-linked elastomers (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Ayaka Hori, Kohzo Ito
  • 雑誌名: Polymer 巻: 147 ページ: 67-73
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2018.05.072
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pronounced Effects of the Densities of Threaded Rings on the Strain-Dependent Poisson’s Ratio of Polyrotaxane Gels with Movable Cross-Links (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Tanaka, Kazuaki Kato, Kohzo Ito, Kenji Urayama.
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 14 号: 15 ページ: 2808-2815
  • DOI: 10.1039/c8sm00257f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polyrotaxane Brushes Dynamically Formed at a Water/Elastomer Interface (2018)
  • 著者名/発表者名: Yanagi Kanta、Yamada Norifumi L.、Kato Kazuaki、Ito Kohzo、Yokoyama Hideaki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 印刷中 号: 18 ページ: 5297-5302
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00649
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Stretchable and Instantly Recoverable Slide-Ring Gels Consisting of Enzymatically Synthesized Polyrotaxane with Low Host Coverage (2018)
  • 著者名/発表者名: Lan Jiang, Chang Liu, Koichi Mayumi, Kazuaki Kato, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito.
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 30 号: 15 ページ: 5013-5019
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01208
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ductile Glass of Polyrotaxane Toughened by Stretch-Induced Intramolecular Phase Separation (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Kaito Nemoto, Koichi Mayumi, Hideaki Yokoyama, and Kohzo Ito
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 9 号: 38 ページ: 32436-32440
  • DOI: 10.1021/acsami.7b10845
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual Fracture Behavior of Slide-Ring Gels with Movable Cross-Links (2017)
  • 著者名/発表者名: Chang Liu, Hirokazu Kadono, Koichi Mayumi, Kazuaki Kato, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito.
  • 雑誌名: ACS Macro Letters 巻: 6 号: 12 ページ: 1409-1413
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.7b00729
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical properties of supramolecular elastomers prepared from polymer-grafted polyrotaxane (2017)
  • 著者名/発表者名: Minato, K., Mayumi, K., Maeda, R., Kato, K., Yokoyama, H., Ito, K.
  • 雑誌名: Polymer 巻: 印刷中 ページ: 386-391
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2017.02.090
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Topological Constraint and Confined Motions on the Viscoelasticity of Polyrotaxane Glass with Different Interactions between Rings (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Tomoki Mizusawa, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 121 号: 3 ページ: 1861-1869
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b11362
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] ポリロタキサンガラスにおける靱性と局所分子運動の関係 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、谷口正幸1、大原明宏1、眞弓皓一、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] 理想環動ゲルの力学物性と架橋密度の関係 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、 池田悠太、 伊藤耕三
  • 学会等名: 第36回シクロデキストリンシンポジウム
• [学会発表] 理想的な網目構造を持つ環動ゲルの弾性率と架橋密度の関係 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、 池田悠太、 伊藤耕三
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 理想環動ゲルにおける弾性率と分光学的に定量された架橋密度の関係 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、 池田悠太、 伊藤耕三
  • 学会等名: 第67回レオロジー討論会
• [学会発表] Effect of Topological Constraints on the Glass Transition Behaviors of Polyrotaxanes (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、大原明宏、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Stretch-induced Intramolecular Phase Separation of Cyclodextrin-based Polyrotaxane Glass (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明・大原明宏・根本開人・眞弓皓一・横山英明・伊藤耕三
  • 学会等名: The 19th International Cyclodextrin Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ポリロタキサンガラスのダイナミクスに及ぼす環サイズおよび包接率の効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明・大原明宏・根本開人・眞弓皓一・横山英明・伊藤耕三
  • 学会等名: 第67回高分子学会年次大会
• [学会発表] 硬質延性ポリロタキサン材料を実現する分子設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、谷口正幸、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
• [学会発表] ポリロタキサンのガラス転移挙動に及ぼす幾何学的拘束の効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、大原明宏、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第66回レオロジー討論会
• [学会発表] Peculiar Mechanical Properties Attributed to the Mechanically Interlocked Structure of Polyrotaxane Glasses (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明・大原明宏・根本開人・眞弓皓一・横山英明・伊藤耕三
  • 学会等名: 12th SPSJ International Polymer Conference (IPC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Stretch-induced Intramolecular Phase Separation in Polyrotaxane Glasses for The Mechanical Toughness (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Kaito Nemoto, Koichi Mayumi, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Peculiar Viscoelasticity and Tensile Behavior of Polyrotaxane Glass (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Kaito Nemoto, Koichi Mayumi, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito
  • 学会等名: 253rd American Chemical Society, National Meeting & Exposition
  • 国際学会
• [学会発表] 修飾基の異なるポリロタキサンガラスの力学物性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷口正幸・加藤和明・眞弓皓一・横山英明・伊藤耕三
  • 学会等名: 第66回高分子学会年次大会
• [学会発表] 延伸によるポリロタキサンガラスの相分離と強靭化機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 根本開人、加藤和明、眞弓皓一、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第66回高分子学会年次大会
• [学会発表] シクロデキストリンを基盤としたポリロタキサン材料の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明
  • 学会等名: 第３４回シクロデキストリンシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ポリロタキサンガラスの伸張誘起相分離 (2017)
  • 著者名/発表者名: 根本開人、加藤和明、眞弓皓一、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第３４回シクロデキストリンシンポジウム
• [学会発表] ポリロタキサン材料のダイナミクスと力学特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、根本 開人、谷口正幸、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 第６６回高分子討論会
• [学会発表] ポリロタキサンガラスの分子構造と破壊機構の関係 (2017)
  • 著者名/発表者名: 根本開人、加藤和明、谷口正幸、眞弓皓一、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第６６回高分子討論会
• [学会発表] 中性子準弾性散乱によるポリロタキサンガラスのダイナミクス解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷口正幸、眞弓皓一、加藤和明、横山英明、菊地龍弥、古府麻衣子、中島健次、金谷利治、伊藤耕三
  • 学会等名: 第６６回高分子討論会
• [学会発表] ポリロタキサンガラスの破壊機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明，根本開人、眞弓皓一、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第65回レオロジー討論会
• [学会発表] 異なる分子構造を有するポリロタキサンガラスの破壊機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明，根本開人、眞弓皓一、横山英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 平成29年度 繊維学会秋季研究発表会
• [学会発表] 中性子準弾性散乱によるポリロタキサンガラスのダイナミクス解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷口正幸、眞弓皓一、加藤和明、横山英明、菊地龍弥、古府麻衣子、中島健次、金谷利治、伊藤耕三
  • 学会等名: 日本中性子科学会第17回年会
• [学会発表] Peculiar Mechanics of Polyrotaxane Glass (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito
  • 学会等名: 11th SPSJ International Polymer Conference
  • 発表場所: Fukuoka International Congress Center, Fukuoka, Fukuoka
  • 年月日: 2016-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] Viscoelasticity of polyrotaxane glass with different inclusion ratios (2016)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Ohara, Kazuaki Kato, Koichi Mayumi, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito
  • 学会等名: 11th SPSJ International Polymer Conference
  • 発表場所: Fukuoka International Congress Center, Fukuoka, Fukuoka
  • 年月日: 2016-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] ポリロタキサンガラスのダイナミクスと伸張特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、根本 開人、大原 明宏、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 平成28年度繊維学会秋季研究発表会
  • 発表場所: 山形大学米沢キャンパス、米沢
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] ポリロタキサンガラスの伸張誘起相分離と強靱化機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 根本 開人、加藤和明、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 平成28年度繊維学会秋季研究発表会
  • 発表場所: 山形大学米沢キャンパス、米沢
  • 年月日: 2016-09-20
• [学会発表] ポリロタキサンガラスの伸長誘起相分離による強靭化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 根本 開人、加藤和明、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 第65回高分子討論会
  • 発表場所: 神奈川大学横浜キャンパス、横浜
  • 年月日: 2016-09-15
• [学会発表] インターロック構造に由来する特異なダイナミクスと大変形挙動を示すポリロタキサンガラス (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、大原 明宏、根本 開人、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 第65回高分子討論会
  • 発表場所: 神奈川大学横浜キャンパス、横浜
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] 包接率の異なるポリロタキサンガラスのダイナミクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 大原 明宏、加藤 和明、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第65回高分子討論会
  • 発表場所: 神奈川大学横浜キャンパス、横浜
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] 特異な力学物性を示すポリロタキサンガラス (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第33回シクロデキストリンシンポジウム
  • 発表場所: かがわ国際会議場、高松
  • 年月日: 2016-09-08
• [学会発表] Viscoelastic Properties of Polyrotaxane Glass (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Tomoki Mizusawa, Hideaki Yokoyama, Kohzo Ito
  • 学会等名: 17th International Congress on Rheology
  • 発表場所: Kyoto TERRSA, Kyoto, Kyoto
  • 年月日: 2016-08-12
  • 国際学会
• [学会発表] ポリロタキサンガラスにおけるガラス転移と副分散 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤和明、水澤知希、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 第65回高分子年次大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場・展示場、神戸
  • 年月日: 2016-05-26
• [学会発表] 化学構造の異なるポリロタキサンガラスのダイナミクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 大原 明宏、眞弓 皓一、加藤 和明、横山 英明、伊藤耕三
  • 学会等名: 第65回高分子年次大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場・展示場、神戸
  • 年月日: 2016-05-26
• [学会発表] メトキシエチル化ポリロタキサン架橋体の粘弾性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 上沼駿太郎、加藤 和明、眞弓 皓一、横山 英明、伊藤 耕三
  • 学会等名: 第65回高分子年次大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場・展示場、神戸
  • 年月日: 2016-05-25
• [学会発表] Diversity of Chemical Structures and Mechanical Properties in Polyrotaxane-based Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kato, Kohzo Ito
  • 学会等名: 18th International Cyclodextrin Symposium
  • 発表場所: Gainesville, Florida, USA
  • 年月日: 2016-05-19
  • 国際学会
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/kazuaki-kato
• [備考] https://researchmap.jp/kazuaki-kato/?lang=japanese