誘電率10000超を示す液晶化合物の強誘電性の実証とメカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 18H03920
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分35:高分子、有機材料およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 菊池 裕嗣 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (50186201)
• 研究分担者: 奥村 泰志 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50448073) ; 樋口 博紀 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (50432951)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,420千円 (直接経費: 33,400千円、間接経費: 10,020千円); 2022年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2021年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円); 2020年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円); 2019年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円); 2018年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
• キーワード: 液晶 / 強誘電性 / 自発分極 / 誘電率 / ネマチック / スメクチック / 高誘電率 / 非線形光学 / 分子配向 / 誘電異方性 / 強誘電性液晶 / ネマチック相 / 分子配列

研究成果の概要

研究代表者らは、流体でありながら強誘電性を示す新規液晶物質を発見した。この物質は形状の自由度が高くかつ大きな自発分極や誘電率を示すため、これまでにない応用が期待できるが、その発現メカニズムは明らかとなっておらず、また発現する温度範囲は室温よりかなり高温であるため応用に課題があった。本研究では、新規に強誘電性を示す液晶化合物を合成し、分子構造と強誘電性の相関を調査し、分子長軸方向に一定以上の大きさの双極子モーメントが重要であることを明らかにした。また、混合系の共融現象を利用して室温付近で強誘電性を示す材料の開発に成功した。さらに自作装置を用いてドメイン内での分子の配向状態の可視化に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来までに見出されていた強誘電性液晶は、構造の対称性を極性が生じるように下げることで達成されてきた。本研究で見出された強誘電性液晶は高い対称性を有し、分子間の双極子モーメント同士の相互作用により形成される点で特異である。本研究成果はソフトマター分野に直接型強誘電性液晶という新たな領域を切り拓いた点に学術的意義を有する。また、形状の自由度を有しながら大きな自発分極や誘電率を示すため、外場応答性の機能性材料として唯一無二の応用が期待され、社会的意義も大きい。本研究により室温付近に強誘電性を示す材料の開発に成功したことから、さらに応用のポテンシャルは高まったと言える。

研究成果

• [国際共同研究] Dongguk University-Seoul/Suncheon Jeil College(韓国)
• [雑誌論文] Synthesis of liquid crystals bearing 1,3-dioxane structures and characterization of their ferroelectricity in the nematic phase (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsukizono Hiroyuki、Iwamatsu Koki、Endo Sota、Anan Shizuka、Okumura Yasush、Kikuchi Hirotsugu
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fluid Layered Ferroelectrics with Global C∞v Symmetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi Hirotsugu、Matsukizono Hiroyuki、Iwamatsu Koki、Endo Sota、Anan Shizuka、Okumura Yasushi
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 9 号: 26 ページ: 2202048-2202048
  • DOI: 10.1002/advs.202202048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of Polymer Structural Ordering in Polymer-Stabilised Blue Phases for Improved Electro-Optical Properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirotsugu Kikuchi, Takahiro Ashimine, Zehui Qin, Hiroki Higuchi, Shizuka Anan, Yasushi Okumura
  • 雑誌名: SYMMETRY-BASEL 巻: 13 号: 5 ページ: 772-772
  • DOI: 10.3390/sym13050772
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polymer-Stabilized Blue Phase and Its Application to a 1.5 mu m Band Wavelength Selective Filter (2021)
  • 著者名/発表者名: Seiji Fukushima, Kakeru Tokunaga, Takuya Morishita, Hiroki Higuchi, Yasushi Okumura, Hirotsugu Kikuchi, Hidehisa Tazawa
  • 雑誌名: CRYSTALS 巻: 11 号: 9 ページ: 1017-1017
  • DOI: 10.3390/cryst11091017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultraviolet light screen using cholesteric liquid crystal capsules on the basis of selective reflection (2021)
  • 著者名/発表者名: Heemuk Oh, Hirotugu Kikuchi, Ji Hyun Lee, Su Ji Kim, Jun Bae Lee, Moon Sun Cho, Min Young Lee, Yasushi Okumura, Joo-Hee Hong, Sung-Kyu Hong
  • 雑誌名: RSC ADVANCES 巻: 11 号: 41 ページ: 25471-25471
  • DOI: 10.1039/d1ra03499e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Performance Polymer Dispersed Liquid Crystal Enabled by Uniquely Designed Acrylate Monomer (2020)
  • 著者名/発表者名: Kizhakidathazhath Rijeesh、Nishikawa Hiroya、Okumura Yasushi、Higuchi Hiroki、Kikuchi Hirotsugu
  • 雑誌名: Polymers 巻: 12 号: 8 ページ: 1625-1625
  • DOI: 10.3390/polym12081625
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A fluid liquid crystal with ferroelectric-like order (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishikawa Hiroya、Shiroshita Kazuya、Higuchi Hiroki、Okumura Yasushi、Haseba Yasuhiro、Yamamoto Shin-ichi、Sago Koki、Kikuchi Hirotsugu
  • 雑誌名: EMERGING LIQUID CRYSTAL TECHNOLOGIES XIV 巻: 10941 ページ: 1094106-1094106
  • DOI: 10.1117/12.2507189
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relationship between molecular structures of uniquely designed C2-symmetric axially chiral dopants and their helical twisting properties in cholesteric liquid crystals (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshizawa Daisuke、Higuchi Hiroki、Okumura Yasushi、Kikuchi Hirotsugu
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 7 号: 8 ページ: 2225-2231
  • DOI: 10.1039/c8tc05296d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decreasing the operating voltage of a polymer-stabilized blue phase based on intermolecular affinity (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshizawa Daisuke、Okumura Yasushi、Yamamoto Jun、Kikuchi Hirotsugu
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: 51 号: 7 ページ: 667-673
  • DOI: 10.1038/s41428-019-0183-6
  • NAID: 40021935966
  • 査読あり
• [雑誌論文] 強誘電ネマチック？―巨大分極秩序発現メカニズムの解明に迫る― (2019)
  • 著者名/発表者名: 西川浩矢，城下和也，樋口博紀，奥村泰志，長谷場康宏，山本真一，佐郷弘毅，菊池裕嗣
  • 雑誌名: 日本液晶学会誌 巻: 23 ページ: 35-45
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of polymer backbone flexibility on blue phase liquid crystal stabilization (2018)
  • 著者名/発表者名: Rijeesh Kizhakidathazhath, Hiroki Higuchi, Yasushi Okumura, Hirotsugu Kikuchi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 巻: 262 ページ: 175-179
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2018.04.085
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orientation of liquid crystalline blue phases on unidirectionally orienting surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Misaki、Ohkawa Takuma、Yoshida Hiroyuki、Fukuda Jun-ichi、Kikuchi Hirotsugu、Ozaki Masanori
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 51 号: 10 ページ: 104003-104003
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaaa4b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilizer-Concentration Effects on the Size of Gold Submicrometer-Sized Spherical Particles Prepared Using Laser-Induced Agglomeration and Melting of Colloidal Nanoparticles (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Tsuji, Shota Sakaki, Hideki Fujiwara, Hirotsugu Kikuchi, Masaharu Tsuji, Yoshie Ishikawa, Naoto Koshizaki
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 号: 37 ページ: 21659-21666
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b05911
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical calculation of Kossel diagrams of cholesteric blue phases (2018)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Jun-ichi、Okumura Yasushi、Kikuchi Hirotsugu
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 10555 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1117/12.2286290
  • 査読あり
• [学会発表] Liquid crystals with longitudinal ferroelectricity (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Kikuchi, H. Kikuchi, H. Matsukizono, K. Iwamatsu, S. Endo, S. Anan, Y. Okumura
  • 学会等名: 19 th Optics of Liquid Crystals SWS2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた強誘電性ネマチック相の配向ベクトルおよび分極ドメイン構造の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸口貴裕、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 第59回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] 強誘電性ネマチック相の縞状ドメインにおける配向ベクトルの3D空間イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸口貴裕、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2022年 日本液晶学会討論会
• [学会発表] 液晶／高分子複合体の低温における異常遅延応答とその改善に向けた材料開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田真人、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2022年 日本液晶学会討論会
• [学会発表] 液晶／高分子複合体の電気光学応答特性の温度およびモノマー種依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柴田真人、阿南静佳、奥村泰志、菊池裕嗣
  • 学会等名: 第59回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] 液晶/金属-有機構造体の複合体が示す複屈折と結晶構造の対称性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中野紗希、阿南静佳、奥村泰志、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2022年 日本液晶学会討論会
• [学会発表] 液晶配向の全方位に対して弱アンカリングを示す界面の創製 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂本裕亮, 松木囿裕之, 阿南静佳,奥村泰志, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 2022年 日本液晶学会討論会
• [学会発表] 混合誘起融点降下に基づくエナンチオトロピック強誘電性ネマチック相の発現温度範囲の制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 角折洋樹, 奥村泰志, 阿南静佳, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 2022年 日本液晶学会討論会
• [学会発表] 液晶と金属-有機構造体の複合体が示す光学特性と有機配位子の置換位置と種類の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山口将生, 阿南静佳, 奥村泰志, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 2022年 日本液晶学会討論会
• [学会発表] Liquid Crystal/Polymer Composites for Electro-optics (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kikuchi
  • 学会等名: The Eighth International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies(EM-NANO 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of Polymer Structure and Electric-field Response of Liquid Crystal Director in Composite Films Consisting of Liquid Crystal and Highly Oriented Polymer (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Okumura, E. Ishida, S. Niiyama, H. Kikuchi
  • 学会等名: 19 th Optics of Liquid Crystals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 様々な官能基を有するMOF中での液晶分子の配向 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口将生、阿南静佳、奥村泰志、菊池裕嗣
  • 学会等名: 第70回高分子年次大会
• [学会発表] 高極性液晶を用いた誘電アクチュエータゲルの創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 城﨑紗也、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] 様々な官能基を有するMOFと液晶複合体が示す光学的異方性の温度応答性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口将生、阿南静佳、奥村泰志、菊池裕嗣
  • 学会等名: 第58回化学関連支部合同九州大会
• [学会発表] 液晶／高分子複合体の低温における電気光学応答と高分子構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田 真人、阿南 静佳、奥村 泰志、菊池 裕嗣
  • 学会等名: 2021年九州地区高分子若手研究会
• [学会発表] 強誘電性ネマチック相発現の分子構造依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩松孝紀、松木囿裕之、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2021年日本液晶学会討論会
• [学会発表] 超解像顕微鏡を用いた高分子鑑定家液晶中の高分子構造の観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 本平和也、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2021年日本液晶学会討論会
• [学会発表] 強誘電性ネマチック液晶を母液晶とするブルー相の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 冝保太斗、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2021年日本液晶学会討論会
• [学会発表] 強誘電性ネマチック液晶を用いた誘電エラストマーアクチュエータ (2021)
  • 著者名/発表者名: 城﨑紗也、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2021年日本液晶学会討論会
• [学会発表] 液晶/MOF複合体が示す複屈折の温度応答性に及ぼすMOF細孔の化学的性質の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口将生、阿南静佳、奥村泰志、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2021年日本液晶学会討論会
• [学会発表] 強誘電性ネマチック液晶を母液相とする高分子安定化ブルー相の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 冝保太斗、奥村泰志、阿南静佳、菊池裕嗣
  • 学会等名: 2021年九州地区高分子若手研究会・冬の講演会
• [学会発表] 高誘電率を示す新規液晶相 ― 強誘電性ネマチック相？ ― (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊池裕嗣, 西川浩矢, 城下和也, 遠藤聡太, 水城裕太, 祝迫宏記, 阿南静佳, 樋口博紀, 奥村泰志, 山本真一, 佐郷弘毅, 長谷場康宏
  • 学会等名: 日本液晶学会
  • 招待講演
• [学会発表] 高極性液晶における液晶配向ベクトルの観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 祝迫宏記, 奥村泰志, 阿南静佳, 山本真一, 佐郷弘毅, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 日本液晶学会
• [学会発表] 全方向に弱アンカリングを示す液晶/基板界面の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村優奈, 阿南静佳, 奥村泰志, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 日本液晶学会
• [学会発表] 規則的な分子配列を有するMOF中でのシアノビフェニル系液晶の配向 (2020)
  • 著者名/発表者名: 阿南静佳, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 日本液晶学会
• [学会発表] 分子配向型高分子/液晶複合膜の相分 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村泰志, 石田瑛一, 阿南静佳, 新山 聡, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 日本液晶学会
• [学会発表] アンカリングフラストレーションによる液晶の界面アンカリング制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村優奈, 阿南静佳, 奥村泰志, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 高分子学会討論会
• [学会発表] シランカップリング剤による液晶界面のアンカリング制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村優奈, 阿南静佳, 奥村泰志, 菊池裕嗣
  • 学会等名: 高分子学会年次大会
• [学会発表] 液晶／高分子複合系の構造と機能発現 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊池 裕嗣
  • 学会等名: 日本学術振興会情報科学用有機材料第142委員会合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ジオキサン基を有する高極性液晶化合物の誘電緩和測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 遠藤 聡太・奥村 泰志・山本 真一・佐郷 弘毅・菊池 裕嗣
  • 学会等名: 2019年日本液晶学会 討論会
• [学会発表] Fluorescence imaging of director spatial distribution in liquid crystal blue phases using dichroic dyes (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Okumura, Takaaki Narita, Jun-ichi Fukuda, Hiroki Higuchi, Hirotsugu Kikuchi
  • 学会等名: 27th International Liquid Crystal Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Ferroelectric-like Properties in Fluid Liquid Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotsugu Kikuchi
  • 学会等名: CEMS Topical Meeting on Modern Ferroelectrics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 強誘電性と流動性を併せ持つ新規液晶 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菊池裕嗣
  • 学会等名: 日本学術振興会情報科学用有機材料第142委員会合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Electro-optical properties of LC/polymer composite materials based on slippery interface (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotsugu Kikuchi
  • 学会等名: The 3rd CBNU-CREST workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた高分子安定化ブルー相の観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 奥村泰志
  • 学会等名: 2018年度 液晶化学・材料研究フォーラム
  • 招待講演