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層状ポリジアセチレンの柔軟性の理解に基づく刺激応答性制御とセンサ応用

研究課題

研究課題/領域番号 23K23416
補助金の研究課題番号 22H02148 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分35020:高分子材料関連
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

緒明 佑哉  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90548405)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2025年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
キーワード層状構造 / ポリジアセチレン / インターカレーション / 刺激応答性材料 / センサ応用 / 刺激応答性 / 共役高分子 / はく離
研究開始時の研究の概要

本研究は、化学・材料分野において、分子や分子組織構造が剛直・柔軟と呼ばれている経験的かつ定性的な概念を、定量的に表現・理解する手がかりを得ることが目標である。そのため、刺激応答性色変化を示す共役高分子である層状ポリジアセチレン(PDA)を対象とし、層状構造の層間にゲストを導入することでその柔軟性および刺激応答性を変化させる。温度応答性色変化をモデルとし、小規模データにも適用可能なAIをもとに、刺激応答性を支配している重要な因子(記述子)を明らかにする。

研究実績の概要

本研究は、化学・材料分野において、分子や分子組織構造が剛直・柔軟と呼ばれている経験的かつ定性的な概念を、定量的に表現・理解する手がかりを得ることが目標である。そのため、刺激応答性色変化を示す共役高分子である層状ポリジアセチレン(PDA)を対象とし、層状構造の層間にゲストを導入することでその柔軟性および刺激応答性を変化させる。温度応答性色変化を例として、小規模データにも適用可能なマテリアルズインフォマティクス(MI)を適用し、刺激応答性予測モデルの構築を目指す。2023年度は、2022年度に作成したデータセットをもとに機械学習を行い、研究者の経験と考察をふまえた記述子抽出を行った。具体的には、色変化が起こる温度(転移温度)を予測するモデルの構築を行った。記述子の組み合わせやモデル構築のアルゴリズムを検討し、いくつかの予測モデルの構築を行い、化学的に妥当な予測モデルを作成することができた。また、その結果をもとに、新たに層間に導入するゲストを選び、温度応答性色変化や力学的刺激応答性色変化の制御を行うことができた。さらに、その結果を応用したPDAを用いて大面積コーティングや3次元的な形状のデバイス作製を試みた。それらを利用した外部刺激の時空間的なイメージングを行った。これらの刺激応答性制御とデバイス化により、臨床現場で求められているような外部刺激の可視・定量化を行うことができた。本結果の派生により、他の様々な系でも、小規模データをもとにした予測モデルの構築と応用に関する研究が進みつつある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は、計画通りに予測モデルの構築ができている。さらに、その結果を利用し、新たに導入するゲストの選出と実際にその刺激応答性の制御を実証するのみならず、そのデバイスを作製と応用例を提示できている点で、当初計画以上の結果が得られている。また、予測モデルを構築する過程においても、これまでとは異なる方法も確立できた点で、予想外の発見があった。以上の結果は、海外の権威ある学術論文誌に掲載されており、当初計画以上であった。さらに、このような方法論を適用する共同研究について、様々な分野の研究者から声がかかり、本成果の波及効果が期待できる。

今後の研究の推進方策

2023年度でデータセットの構築は完了し、刺激応答性予測モデルの構築はできているため、2024年度以降は応答の可逆性を予測するモデルの構築を行う。このとき、小規模データでは、データのバランスや記述子抽出過程における研究者の考察をどのぐらい関与させるかによって、抽出記述子やモデルの精度が変わってくる。データの量と質、記述子抽出過程について検討することで、小規模データ特有の予測モデル構築方法をより洗練させる。また、臨床現場よりいくつかのセンシングのニーズを提供されており、そのニーズに応えられるよう、これまでの知見を利用した材料設計を行う。

報告書

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

    (27件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 1件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Hanyang University(韓国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Nanoarchitectonics of Exfoliated Flexible Nanosheet Based on Laterally Stacked Macrocycles2023

    • 著者名/発表者名
      Nano Shioda, Jung-Moo Heo, Bubsung Kim, Hiroaki Imai, Jong-Man Kim,* and Yuya Oaki
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 10 号: 34 ページ: 2300521-2300521

    • DOI

      10.1002/admi.202300521

    • 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] Imaging of Accumulated Mechanical Stresses Using Self-Assembled Layered Conjugated Polymer2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Mochizuki, Hiroaki Imai, and Yuya Oaki
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials and Interfaces

      巻: 15 号: 41 ページ: 48725-48735

    • DOI

      10.1021/acsami.3c12043

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nanoscopic force sensitivity of polydiacetylene 2D layered composites with guest molecules2023

    • 著者名/発表者名
      Bratati Das, Nano Shioda, Shunsuke Yagi, Yuya Oaki, Kaori Sugihara
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 11, (2) 号: 2 ページ: 2300745-2300745

    • DOI

      10.1002/admi.202300745

    • 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
  • [雑誌論文] Stimuli-Responsive Sponge for Imaging and Measuring Weak Compression Stresses2023

    • 著者名/発表者名
      Nahoko Ono, Ryo Seishima, Koji Okabayashi, Hiroaki Imai, Syuji Fujii, Yuya Oaki
    • 雑誌名

      Advanced Science

      巻: 10 号: 3 ページ: 2206097-2206097

    • DOI

      10.1002/advs.202206097

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Highly Sensitive Friction-Imaging Device Based on Cascading Stimuli Responsiveness2023

    • 著者名/発表者名
      Nano Shioda, Ryotaro Kobayashi, Seiichiro Katsura, Hiroaki Imai, Syuji Fujii, Yuya Oaki
    • 雑誌名

      Materials Horizons

      巻: - 号: 6 ページ: 2237-2244

    • DOI

      10.1039/d3mh00188a

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Coatable 2D Conjugated Polymers Containing Bulky Macromolecular Guests for Thermal Imaging2022

    • 著者名/発表者名
      Aya Edagawa, Satoru Matsuda, Hirofumi Kawakubo, Hiroaki Imai, and Yuya Oaki
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 14 号: 38 ページ: 43792-43801

    • DOI

      10.1021/acsami.2c12909

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンとドライリキッドの統合による弱い圧縮応力の印加・経過時間のイメージング2023

    • 著者名/発表者名
      大野菜穂子*, 今井宏明, 藤井秀司, 緒明佑哉
    • 学会等名
      第72回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンとドライリキッドの統合による弱い圧縮応力の時空間的イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      大野菜穂子*, 今井宏明, 藤井秀司, 緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会関東支部第8回神奈川地区講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンとドライリキッドを複合したスポンジ状センサによる弱い圧縮刺激の時空間的イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      大野菜穂子*, 今井宏明, 藤井秀司, 緒明佑哉
    • 学会等名
      第72回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンとドライリキッドの複合による圧縮応力の蓄積量イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      大野菜穂子*, 今井宏明, 藤井秀司, 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会秋季事業第13回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンのインターカレーションと相分離構造による温度応答性色変化の制御とコーティング2023

    • 著者名/発表者名
      柴田理紗子*, 今井宏明, 緒明佑哉
    • 学会等名
      第72回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] インターカレーション誘起相分離による層状ポリジアセチレンの刺激応答性制御と複合化2023

    • 著者名/発表者名
      柴田理紗子*, 今井宏明, 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会秋季事業第13回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンのインターカレーション誘起相分離構造の形成による刺激応答性制御と複合化2023

    • 著者名/発表者名
      柴田理紗子*, 今井宏明, 緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会関東支部第9回神奈川地区講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Intercalation Chemistry of Stimuli-Responsive Layered Conjugated Polymers2023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Oaki
    • 学会等名
      Mini-symposium on Element-block and Related Polymers
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 層状結晶の柔軟性制御による材料設計と機能開拓2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      日本結晶成長学会 新技術新材料分科会 第3回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 小規模データのマテリアルズインフォマティクスで挑む有機機能材料の探索と性能向上2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会 第104春季年会中長期テーマシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 共役高分子材料を活用した外部刺激の可視・定量化による医工連携2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      第37回 日本医工ものづくりコモンズ シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 層状高分子の機能設計2023

    • 著者名/発表者名
      緒明佑哉
    • 学会等名
      KISTEC教育講座進化する高分子材料 表面・界面制御 Advanced
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Visualization and quantification of three-dimensional compression-stress distribution by integration of layered polydiacetylene and dry liquid2022

    • 著者名/発表者名
      大野菜穂子 今井宏明 藤井秀司 緒明佑哉
    • 学会等名
      第71回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレン-ポリウレタン複合材料による引張応力蓄積量の可視・定量化2022

    • 著者名/発表者名
      望月佑起 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      第71回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレン/ドライリキッド複合デバイスを用いた弱い摩擦力の可視・定量化2022

    • 著者名/発表者名
      塩田菜乃 小林遼太郎 桂誠一郎 今井宏明 藤井秀司 緒明佑哉
    • 学会等名
      第71回 高分子学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレン/ポリウレタン複合体による引張応力と蓄積仕事量の可視・定量化2022

    • 著者名/発表者名
      望月佑起 今井宏明 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ポリジアセチレンとドライリキッドの複合によるスポンジ状圧縮応力イメージングセンサ2022

    • 著者名/発表者名
      大野菜穂子 今井宏明 藤井秀司 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 層状ポリジアセチレンとドライリキッドの複合による高感度摩擦力センサの作製2022

    • 著者名/発表者名
      塩田菜乃 今井宏明 藤井秀司 緒明佑哉
    • 学会等名
      日本化学会第12回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 環状モノマーから構成された層状ポリジアセチレンのインターカレーションとはく離による動的機能の開拓2022

    • 著者名/発表者名
      塩田菜乃 Kim Bubsung、Heo Jung-Moo、今井宏明、Kim Jong-Man、緒明佑哉
    • 学会等名
      高分子学会関東支部 第7回神奈川地区講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      https://www.applc.keio.ac.jp/~oakiyuya/jp.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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