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外部刺激に応じて集合的コロイド運動が誘起される粒子配列体による音調可視化への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0247
補助金の研究課題番号 22J11948 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分28030:ナノ材料科学関連
研究機関東北大学

研究代表者

波形 光  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2022年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードyolk-shell / コロイド結晶 / 交流電場 / ハイドロゲル / フォトニック結晶 / Yolk-shell / 電場応答性
研究開始時の研究の概要

数百ナノメートル程度の微粒子は、規則的に集積させることで特定波長の光のみを反射するという優れた光学特性を示す。一方、集積体中の微粒子はその配置が固定されるため、一般的に1つの粒子集積体から得られる光反射性は一意に限定されてきた。そこで本研究では、外からの刺激に応答して光反射性を自在に制御可能な新しい微粒子集積体の作製を目的とする。集積体の構成要素としては、可動性のコア粒子が中空粒子内に格納された形態を有する "卵型粒子" を選定し、同粒子の規則配列・固定化手法を検討する。また同粒子の集積体について、種々の外部刺激を印加した際の内部構造(コア粒子の配列構造)および光反射特性の制御を目指す。

研究実績の概要

本研究では、フォトニック結晶の一種である、サイズの均一なコロイド粒子からなる規則集積体(コロイド結晶)について、外部からの刺激に対する応答性の獲得を目的とした。多くのコロイド結晶においては微粒子が最密に充填した構造を形成するため、その配列構造を変化させることが難しい。これにより、コロイド結晶が示す光学特性、即ち反射する光の波長および強度は不変であった。これに対して本研究では、可動性のコア粒子が中空の外殻内部に格納された形態を有する “卵型粒子” に着目し、同粒子を用いて集積体を作製することで、配列構造が可逆制御可能なコロイド結晶の作製を検討した。
今年度は柔軟性と加工性に優れたハイドロゲルを用いた粒子集積体の配列構造補強に取り組んだ。代表的な温度応答性ポリマーであるポリ(N-イソプロピルアクリルアミド) ゲルを粒子集積体の間隙で重合させることにより、水中で形成された粒子配列構造を乱すことなく外部へ取り出すことが可能となった他、ハイドロゲル由来の温度応答性の膨潤/収縮挙動は粒子集積体と複合化した後も発現することを確認した。このことは、粒子集積体が熱、ひいては親/疎水性に応じてその配列の周期性を変化させる、即ちそれらの刺激に応答して光学特性を変化させるために重要だと考える。また外側をハイドロゲルで補強した粒子集積体においてはその内部まで水が拡散可能であり、外側の外殻の配置をゲルで固定した後であっても内包するコア粒子は可動性を示すことを確認した。
昨年度までに明らかにした卵型粒子の運動性と光学特性については本年度、国際共著論文として投稿、受理された他、本年度に得られたハイドロゲルとコロイド結晶の複合膜についての研究結果も投稿論文として受理された。以上より本研究では、外部刺激に応じて光学特性をスイッチング可能な微粒子材料開発を達成した。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] ユトレヒト大学(オランダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ユトレヒト大学(オランダ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Double-inverse-opal structured films of a hydrogel framework and mobile inorganic particles2024

    • 著者名/発表者名
      Namigata Hikaru、Watanabe Kanako、Welling Tom A.J.、Suga Keishi、Nagao Daisuke
    • 雑誌名

      Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects

      巻: 690 ページ: 133781-133781

    • DOI

      10.1016/j.colsurfa.2024.133781

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly Reflective and Transparent Shell-Index-Matched Colloidal Crystals of Core-Shell Particles for Stacked RGB Films2023

    • 著者名/発表者名
      Welling Tom A.J.、Kurioka Keisuke、Namigata Hikaru、Suga Keishi、Nagao Daisuke、Watanabe Kanako
    • 雑誌名

      ACS Applied Nano Materials

      巻: - 号: 16 ページ: 18337-18345

    • DOI

      10.1021/acsanm.3c03940

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Switchable Bragg Reflections via Controllable Inner Particle Motion in Yolk-Shell Colloidal Crystals2023

    • 著者名/発表者名
      Namigata Hikaru、Welling Tom A. J.、Watanabe Kanako、Suga Keishi、Imhof Arnout、van Blaaderen Alfons、Nagao Daisuke
    • 雑誌名

      ACS Applied Optical Materials

      巻: 2 号: 1 ページ: 181-190

    • DOI

      10.1021/acsaom.3c00392

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Surface lattice resonance in three-dimensional plasmonic arrays fabricated via self-assembly of silica-coated gold nanoparticles2023

    • 著者名/発表者名
      Hasegawa Masashi、Watanabe Kanako、Namigata Hikaru、Welling Tom A.J.、Suga Keishi、Nagao Daisuke
    • 雑誌名

      Journal of Colloid and Interface Science

      巻: 633 ページ: 226-232

    • DOI

      10.1016/j.jcis.2022.11.077

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Rational design for structural color materials2024

    • 著者名/発表者名
      Welling Tom A.J.、Kurioka Keisuke、Namigata Hikaru、Suga Keishi、Watanabe Kanako、Nagao Daisuke
    • 学会等名
      化学工学会第89年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 光反射特性をスイッチング可能な新規コロイド材料の開発と博士課程を通して学んだこと2024

    • 著者名/発表者名
      波形光
    • 学会等名
      第19回日本セラミックス協会マテリアル・ファブリケーション&プロダクション・デザイン研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Frequency-controlled mobility of the inner particle in yolk-shell structures for use in switchable colloidal crystals2023

    • 著者名/発表者名
      Welling Tom A.J.、Watanabe Kanako、Grau-Carbonell Albert、Namigata Hikaru、Nagao Daisuke、Imhof Arnout、de Graaf Joost、van Huis Marjin A.、van Blaaderen Alfons
    • 学会等名
      37th conference of European Colloid & Interface Society
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 電場により誘起されるコロイド粒子の集団振動を利用した粒子配列構造の制御2023

    • 著者名/発表者名
      波形光、Welling Tom A.J.、渡部花奈子、菅恵嗣、長尾大輔
    • 学会等名
      化学工学会第54回秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 中空多孔質粒子内部のコロイド運動を利用した分子拡散モニタリング2023

    • 著者名/発表者名
      渡部花奈子、Welling Tom A.J.、波形光、菅恵嗣、長尾大輔
    • 学会等名
      化学工学会第54回秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Electrically responsive yolk-shell colloidal photonic crystals with controllable coherent scattering intensities2023

    • 著者名/発表者名
      Namigata Hikaru、Welling Tom A. J.、Watanabe Kanako、Suga Keishi、Imhof Arnout、van Blaaderen Alfons、Nagao Daisuke
    • 学会等名
      2023 AIChE Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Double-inverse-opal structured assemblies of titania-based photocatalytic particles towards continuous water purification process2023

    • 著者名/発表者名
      Namigata Hikaru、Watanabe Kanako、Suga Keishi、Nagao Daisuke
    • 学会等名
      2023 AIChE Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属ナノ粒子集積体における粒子間距離が遠方場相互作用に及ぼす影響2023

    • 著者名/発表者名
      古川孝士、長谷川将司、波形光、渡部花奈子、菅恵嗣、長尾大輔
    • 学会等名
      化学工学会第88年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Colloidal crystals from rattle-type particles with control over the Bragg scattering strength using an external AC electric field2022

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Namigata, Tom A. J. Welling, Keishi Suga, Marijn A. van Huis, Alfons van Blaaderen, Daisuke Nagao, Kanako Watanabe
    • 学会等名
      11th International Colloids Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 電場印加により集合的規則運動が誘起されるコロイド配列体の光学特性制御2022

    • 著者名/発表者名
      波形光
    • 学会等名
      材料化学システム工学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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