| 研究課題/領域番号 |
16K13867
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
多辺 由佳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50357480)
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| 研究分担者 |
杉澤 進也 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (90732743) [辞退]
坊野 慎治 早稲田大学, 理工学術院, 助教 (60778356) [辞退]
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 交互積層分子配置 / 自発的な鏡面対称性の破れ / 電子線によるトルク発生 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、電子線の照射により一方向に剛体回転する電荷移動液晶を対象に、その回転メカニズムを明らかにし、新規な分子集合体モーターの設計指針を与えることである。2016年度は、まず、対象である電荷移動液晶の詳細な分子配置を、放射光X線回折実験で調べた。その結果、通常のX線回折では見えなかった微弱な(100)ピークが検出され、電荷移動型のCryE相においては、直方体形状のドナー分子とアクセプター分子が層面内で分離して列を作り、それらが交互に並んでヘリンボーン格子を形成していることが明らかになった。これまでアキラルな2分子の作るCryE相がどのように回転方向を一つに決めるのかが謎であったが、この分子配置がキラリティ発現の起源であることはわかった。次に、分子間の電荷移動が回転に与える影響を知るため、強さの異なる数種類のドナーとアクセプターを組みあわせて試料を作製し、電子線照射時の回転速度と分子間電荷移動量との関係を調べた。100以上の試行による平均結果は、ドナーのHOMOとアクセプターのLUMOの差が小さいほど、試料は速く回転する、という関係を示した。さらに、照射する電子線強度が強いほど、回転速度も平均して速くなるという結果も得た。一方、回転の安定性は相系列に依存し、高温側に二次元液体であるSmA相を持つ試料では、30分以上の長時間にわたって破壊されることなく一定速度で回転する挙動が見られた。これらの結果から、弱い電子線が分子間の電気的な力バランスを変化させ、系のキラリティによって決まるトルクが発生する、このとき周囲を液体相に支えられていることで摩擦が軽減される、という2つがCryE相の一方向回転のマクロなしくみと考えられる。電荷移動液晶の電子線による回転メカニズムの解明に向け、必要な分子配置と外場条件を明確にした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
24時間×3回という限られた放射光X線実験においても、微弱な(100)ピークの検出に成功した。また試料作製において、ドナー分子とアクセプター分子はそれほど多くの種類は購入できなかったが、10種類程度で十分な傾向が得られた。
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| 今後の研究の推進方策 |
2016年度はほぼ計画通りに研究を進め、電子線照射によって一方向回転する電荷移動液晶を対象に、結晶内分子配置の詳細、キラリティの発現機構、マクロな回転の条件、を押さえることができた。ただし、用いた試料は結晶軸がランダムに配向したドメインの集合体だったので、回転速度の電子線強度依存性および電荷移動量依存性については、定性的な評価にとどまった。2017年度は、分子配置のそろったCryE相のモノドメインを対象に、定量的な実験を行う。まず、昨年度に製作を開始した、電場・磁場を同時印加しながら試料を作ることのできる装置を完成させ、これを使って単結晶試料を作製する。次に作製したモノドメイン試料の分子配置を放射光X線回折で確認し、その上で、低速電子線照射実験でモノドメインの回転挙動を調べる。試料製作と回転挙動観察を、2016年度に作製した10種類の異なるサンプルについて行い、電荷移動量と回転速度の関係を定量的に調べる。同じくモノドメイン試料で電子線強度依存性も定量評価する。回転におけるキラリティの役割を明確にするため、ヘキサゴナル格子を持つSmB相サンプルについても同様の実験を行う。一連の実験結果から、電子線によるトルク発生モデルを示し、電子線で回る高効率分子集合体モーターに必要な条件を提示する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
性能を確保するために予定より高価な電磁石が必要とわかり、これを購入するには予算が不足して購入できなかったことが最も大きな理由である。
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| 次年度使用額の使用計画 |
液晶試料を特注することで、磁場がある程度低くても配向するという見積もりの下、改めて電磁石を購入する。初年度の残額は全てその購入代金にあてる。
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