| 研究課題/領域番号 |
15H05758
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
渡邉 正義 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60158657)
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| 研究分担者 |
獨古 薫 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70438117)
吉田 亮 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80256495)
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| 研究期間 (年度) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| キーワード | イオン液体 / ゲル / ソフトマテリアル / 自律性 / 自己集合 |
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| 研究実績の概要 |
研究代表者は、イオン液体の輸送特性やイオン性の基礎研究を進めると同時に、イオン液体を網目状高分子に閉じ込めた広い温度範囲、開放系での利用も可能な新しい高分子ゲル：「イオンゲル」を提案し、世界中から大きな注目を集めて来た。
一方、これまでのソフトマテリアル研究は、概して高分子などの分散質に視点が集中していて、主構成成分である液体の構造、あるいは高分子に誘起される液体構造変化に着目した研究は少なかった。これらソフトマテリアルの自律的な構造形成・揺ぎ・転移（これらを総称して自律性と呼ぶ）は液体の構造形成性にその根源があるとの視点が本研究の原点である。具体的には、構造形成性液体としてイオン液体を選択し、これを用いたソフトマテリアルの自律性に及ぼす液体の構造形成性・階層性の影響を明らかにすることを目的とした。本研究の遂行により、イオン液体を溶媒に用いたソフトマテリアルという新しい物質系の基礎が確立され応用の萌芽を生みつつある。
イオン液体を用いたソフトマテリアルの自律性を、構成液体の構造形成性に相関づけようとする研究は未踏領域であり、研究代表者が世界に先駆けて実施する研究である。具体的には以下の項目を検討、精査し、知見を集積した。(1) 高分子のイオン液体中への溶解現象の理解、(2) 温度によるソフトマテリアルの自律性発現、(3) 光によるソフトマテリアルの自律性発現、(4) 化学反応によるソフトマテリアルの自律性発現
これらの基礎研究を踏まえ、イオン液体を用いたソフトマテリアルの自律性を、構成液体の構造形成性に相関づけようとする研究を進めた。その結果、イオン液体を溶媒に用いた新しいソフトマテリアルという新しい物質・材料系を提案している。
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| 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
これまでの研究で、イオン液体中への高分子（溶質）の溶解は、僅かな熱力学パラメータの変化で生起していることが分かって来た。その結果、高分子およびイオン液体の微細な構造変化に敏感に応答して溶解現象（例えば相転移温度）が変化する現象を様々な系で蓄積することができた。この事が「ソフトマテリアルの自律性を支配するイオン液体の役割」の本質ではないかとの確信が生まれてきている。さらに、溶質の溶解は、カチオンまたはアニオンと溶質の相互作用と、イオン間の相互作用の競合によって決まる。溶質とイオン液体の相互作用には、水素結合、カチオン－π相互作用、van der Waals相互作用などが、またイオン間相互作用には、クーロン力に加えて、水素結合、van der Waals相互作用などが重要な役割を果たすことが分かって来た。
イオン液体の耐熱性（不揮発性）を利用すると、幅広い温度範囲で、溶媒の揮発・沸騰（濃度の変化）の心配なく溶解性の変化を調べることが可能となる。本研究発足時は、イオン液体中のLCST現象は極めて特異な現象と考えていた。それはLCST的な相変化をするためには構造形成性溶媒和が不可欠であるからである。これまでこのような構造形成性溶媒和は、水中での疎水性相互作用などごく限られた系で議論されてきた。しかし、現在では発熱的な溶解であれば溶媒和は構造形成的であり、LCSTが測定温度範囲で観測されないのは溶媒の揮発性やΔHmixの絶対値が大きいためと推察している。イオン液体中で高分子が測定温度範囲でLCSTを示すのは、測定温度範囲を非常に幅広く取れ、かつΔHmixの絶対値が小さいためとの作業仮設を立てるに至っている。
以上のような進捗に加え、当初の目標を超える研究の進展があり、予定以上の成果が見込まれると自己評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後も、イオン液体を用いたソフトマテリアルの自律性を、構成液体の構造形成性に相関づけようとする研究を進める。具体的には以下の項目を検討、精査し、知見を集積する。
(1) 高分子のイオン液体中への溶解現象の理解： 溶解性を支配するイオンと高分子との相互作用を、クーロン力、水素結合、カチオン－π相互作用、van der Waals力などに分類し、イオン間相互作用との競合という視点で溶解現象の理解をさらに進める。(2) 温度によるソフトマテリアルの自律性発現： イオン液体中のUCSTおよびLCSTのような相分離現象の熱力学的、さらに溶液構造的な理解を深める。この現象を利用した、イオン液体／高分子系の体積相転移、ゾル－ゲル転移、ミセル－ユニマー転移を実現・理解する。(3) 光によるソフトマテリアルの自律性発現： 温度により自律性発現する高分子系に光応答性基（アゾベンゼン、クマリン、アントラセンなど）を導入することにより、光によるイオン液体／高分子系の集合状態の転移を実現する。さらにこの現象を利用した光治癒材料、造形材料の実現を図る。(4) 化学反応によるソフトマテリアルの自律性発現： 研究分担者である吉田らにより見出された、イオン液体中でのBelousov-Zhabotinsky (BZ) 反応をソフトマテリアルの自律性発現に結び付ける研究を展開し、世界に類を見ないソフトマテリアルを実現する。(5) 新しいイオン液体およびソフトマテリアルの提示：今後は、新しいイオン液体（溶媒和イオン液体等）の探索を進めるとともに、(1)～(4)の成果を新しいソフトマテリアルに繋げる研究をメンバー全員で進める。
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