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流動が誘起する液晶圧電効果のメカニズム解明と発電デバイスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H02059
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分18040:機械要素およびトライボロジー関連
研究機関高知工科大学

研究代表者

蝶野 成臣  高知工科大学, システム工学群, 教授 (20155328)

研究分担者 辻 知宏  高知工科大学, システム工学群, 教授 (60309721)
西脇 永敏  高知工科大学, 環境理工学群, 教授 (30237763)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2021年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2020年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
キーワード液晶 / 非ニュートン流体力学 / 圧電効果 / MEMS / 圧電特性
研究開始時の研究の概要

ひずみを与えると電気が発生する圧電効果は固体特有の現象として広く知られており,既に着火装置等に実用化されているが,液晶の圧電効果については未知の部分が多い.本研究は数値計算と実験によって液晶の発現メカニズムを解明し,それに基づいて効果的な圧電条件を見出す.さらに,ひずみを高い効率で電荷に変換できる新規な液晶を化学合成することで,高電荷量の発電現象に資する基盤技術の創出を目指す.

研究成果の概要

分子動力学計算によって、分子のアスペクト比、温度、せん断速度の影響を定量化すると同時に、連続体力学計算も行った結果、せん断面内で回転運動していた一部の液晶分子が、トルクを受けることである閾値以上のせん断歪みを受けると、そのトルクを下げるためにせん断面外に配向することを見出した。この面外配向現象が圧電効果の発現に関連していると推測した。
Leslie-Ericksen理論を用いて、粘弾性係数と発生せん断力の関係を数値計算によって調べた。L-E理論には、液晶分子の姿勢に依存する粘弾性係数が9個ある。この中で、圧電特性に支配的なものを見出すことによって、圧電特性に優れた新規液晶の合成を試みた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

我々の周囲には、微小ではあるが未利用なエネルギーが多数存在しており、これらを電気エネルギーに変換できる新技術の創出と、高効率変換が可能な新しい物質の創製が求められている。
液晶は弾性率が低い柔らかい物質「ソフトマター」であり、巨視的には通常の液体のように振る舞うが、微視的には結晶の異方性を有しているので、圧電効果を発現すると予想される。つまり、省資源・省エネルギー化に貢献するだけでなく、電力供給が困難な環境下で、センサー等の電子デバイスのユビキタス自立電源としても期待される。応用形態としては、軸受けの潤滑剤として用いる軸受け発電や、歩行や車両の踏圧で発電する発電床を想定している。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Synthesis of Bis(functionalized) Aminals via Successive Nucleophilic Amidation and Amination2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Iwai, Akari Hikasa, Kotaro Yoshioka, Shinki Tani, Kazuto Umezu, Nagatoshi Nishiwaki
    • 雑誌名

      The Journal of Organic Chemistry

      巻: 88 号: 4 ページ: 2207-2213

    • DOI

      10.1021/acs.joc.2c02647

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Capture of microscale objects using the smectic-isotropic phase interfacial force for soft-manipulation devices2023

    • 著者名/発表者名
      Jose Eduardo Mejia, Tomohiro Tsuji, Shigeomi Chono
    • 雑誌名

      Sensors & Actuators: A. Physical

      巻: 349 ページ: 113985-113985

    • DOI

      10.1016/j.sna.2022.113985

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A New Approach to 10-Arylated 5H-Dibenzo[b,f]azepines Using syn-Selective Hydrohalogenation of Ethynylaniline2022

    • 著者名/発表者名
      Kento Iwai, Yusuke Mukaijo, Haruyasu Asahara, Nagatoshi Nishiwaki
    • 雑誌名

      Organic & Biomolecular Chemistry

      巻: 20 号: 28 ページ: 5543-5550

    • DOI

      10.1039/d2ob00950a

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] FeCl3-Promoted Facile Synthesis of Multiply Arylated Nicotinonitriles2022

    • 著者名/発表者名
      Kento Iwai, Haruka Yamauchi, Soichi Yokoyama, Nagatoshi Nishiwaki
    • 雑誌名

      Synthesis

      巻: 54 号: 10 ページ: 2480-2486

    • DOI

      10.1055/a-1731-9464

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Synthetic Equivalent of α,α-Dicationic Acetic Acid Leading to Unnatural Amino Acid Derivatives via Tetrafunctionalized Methanes2022

    • 著者名/発表者名
      Haruyasu Asahara, Atsushi Bonkohara, Masaya Takagi, Kento Iwai, Akitaka Ito, Kotaro Yoshioka, Shinki Tani, Kazuto Umezu, Nagatoshi Nishiwaki
    • 雑誌名

      Organic & Biomolecular Chemistry

      巻: 20 号: 11 ページ: 2282-2292

    • DOI

      10.1039/d1ob02482e

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of micromotors using the backflow effect of liquid crystals2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuji Tomohiro、Chono Shigeomi
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators A: Physical

      巻: 318 ページ: 112386-112386

    • DOI

      10.1016/j.sna.2020.112386

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 液晶の粘度測定時における分子配向欠陥構造の発生2023

    • 著者名/発表者名
      松永悠萌香、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会中国四国学生会 第53回学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] せん断流れによって誘起される液晶ポリマーの分子配向挙動の数値シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      天野愉心、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会中国四国支部 第61期総会・講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ネマティック液晶の2重円筒間せん断流れにおける分子配向場の非定常挙動の数値シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      鬼丸直也、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会中国四国支部 第61期総会・講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Application of liquid crystals to mechanical engineering2022

    • 著者名/発表者名
      Shigeomi Chono and Tomohiro Tsuji
    • 学会等名
      International Display Workshops
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 液晶の流れに関する雑駁なお話2022

    • 著者名/発表者名
      蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会流体工学部門 複雑流体研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 液晶ポリマーの流動分子配向挙動と成形物内の分子配向分布の数値解析2022

    • 著者名/発表者名
      天野愉心、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会 年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] アンカリング条件が流動によって誘起される分子配向欠陥構造に及ぼす影響2022

    • 著者名/発表者名
      鬼丸直也、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] スメクティック液晶のせん断流れの2次元分子動力学シミュ レーション2020

    • 著者名/発表者名
      石本真輝、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会 年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ネマティック液晶の管内流れにおける分子配向挙動の数値解析2020

    • 著者名/発表者名
      藤原励、辻知宏、蝶野成臣
    • 学会等名
      日本流体力学会 年会2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 液晶を用いたマイクロ機械要素の開発2020

    • 著者名/発表者名
      蝶野成臣
    • 学会等名
      日本機械学会流体工学部門講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-01-30  

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