光機能性パターン構造を有する炭酸カルシウム/高分子複合体の構築

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15655038
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 加藤 隆史 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (70214377)
• 研究分担者: 守山 雅也 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (90334317)
• キーワード: 無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / ゲル / パターン形成 / 結晶成長 / 多糖誘導体

研究概要

生物がつくり出す貝殻や真珠、骨や歯のような無機/高分子複合体は、我々が容易に模倣できない精緻な構造を有し、すぐれた性質・機能を示す。このようなバイオミネラルの形成プロセス、すなわちバイオミネラリゼーションに倣い、無機/高分子複合体を人工的に、かつ自己組織的に作製できれば、高機能・高性能かつ環境低負荷性の複合材料が得られるはずである。我々は炭酸カルシウムと有機高分子からなる複合材料をバイオミネラリゼーションに倣った自己組織化プロセスにより構築してきた。本研究では、炭酸カルシウムの結晶化にソフトなゲルを形成する合成高分子を用いて炭酸カルシウムの形態制御を行い、パターン構造を作製することに成功した。天然多糖プルランに疎水基コレステロールを導入することによってゲル化能を持たせた化合物を合成し、炭酸カルシウムの結晶化基板として用いた。その結果、水溶性高分子ポリアクリル酸の存在下、表面に周期約800nmの凹凸パターン構造を有する炭酸カルシウム薄膜が、ゲル基板上に自己組織的に成長することを見出した。このようなサブマイクロメートルレベルの結晶秩序構造を自己組織化プロセスによって得たのは本例が初めてである。このパターン形成は、ゲルの効果により結晶形成とイオン拡散が競争的に起こり、振動現象が起きたためであると考えられる。この炭酸カルシウム薄膜は回折格子として機能し、炭酸カルシウムの機能化が達成できた。プルランへのコレステロールの導入割合、結晶成長温度、水溶性高分子添加物などを変化させることにより、パターン構造の制御にも成功した。

研究成果

• [文献書誌] Ayae Sugawara, Takeshi Ishii, Takashi Kato: "Self-Organized Calcium Carbonate with Regular Surface-Relief Structures"Angewandte Chemie International Edition. 42・43. 5299-5303 (2003)
• [文献書誌] Naoya Hosoda, Ayae Sugawara, Takashi Kato: "Template Effect of Crystalline Poly(vinyl alcohol) for Selective Formation of Aragonite and Vaterite CaCO_3 Thin Films"Macromolecules. 36・17. 6449-6452 (2003)
• [文献書誌] Ayae Sugawara, Takashi Kato: "Calcium Carbonate/Polymer Composites : Polymorph Control for Aragonite"Composite Interfaces. (印刷中).
• [文献書誌] 加藤隆史, 藪内一博, 菅原彩絵, 岸本健史: "機能性分子集合体の構築とナノおよびマイクロ構造制御"まてりあ. 42・6. 453-456 (2003)
• [文献書誌] 菅原彩絵, 加藤隆史(分担執筆): "ナノ・IT時代の分子機能材料と素子開発"エヌ・ティー・エス. 388-397 (2004)