| 研究課題/領域番号 |
18H02028
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| 研究機関 | 東京農工大学 |
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研究代表者 |
渡辺 敏行 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10210923)
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| 研究分担者 |
戸谷 健朗 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 技術職員 (50397014)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ソフトアクチュエーター / アゾベンゼン / 光応答性 / ポリアミド酸 / ポリイミド / 光異性化 / 高分子ゲル |
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| 研究実績の概要 |
本研究では四官能性アミンの中心部にアゾベンゼンを導入した新規架橋剤N,N-Bis(3,5-diaminobenzoyl)-4,4’-diaminoazobenzene (BDA-Azo)を合成し、二官能性酸無水物との末端架橋法により三次元ネットワークを構築した。これにより、ネットワークに導入されるアゾベンゼンのうち、光応答性に有効なものの割合が約66%から87%へと大幅に上昇した。内径0.2 mmのガラスキャピラリーをモールドとして作成したゲルを溶媒中に固定し、垂直方向から波長405 nmのレーザー光を照射した。照射表面において体積が収縮することによるゲルの屈曲速度を比較すると、従来のものと比較して本研究のゲルは1.5倍の速度と、極めて高速に変形した。
また、本研究では、ネットワークの架橋密度を高めることにより、セグメント同士の接近を防ぐことで凝集を軽減し、剛直性の高いイミド結合へ変換した後も本来の変形速度と可逆的光応答性を維持することに成功した。
このゲルを種々の測定を通して多角的に評価し、光応答性ゲルの光変形挙動の詳細な解析を行った。共焦点レーザー顕微鏡により、ゲル中に分散させた蛍光マイクロビーズの動きから励起光照射に対するゲルのミクロスケールでの光応答性を確認した。その結果、照射枠内の方が照射枠外よりビーズと中心との距離の変位量、すなわち収縮・膨潤の大きさが小さく、加えてゲルの内部方向へ押し込まれて行く傾向が確認された。このことから、光応答性ゲルの屈曲挙動は「①紫外光照射枠内の部分が収縮してゲルの内部方向に入って行く→②網目を通じて力が伝搬して照射枠外の網目がほぼ平行に引っ張られる→③照射枠内の部分が支点となって屈曲」というメカニズムで生じると推測された。
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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
本研究では３年間で以下の点を明らかにする。
実験計画１．高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立
特に高速光応答を可能にする均一な網目構造を得るためのアゾベンゼンの分子設計指針の確立 実験計画２．光異性化をトリガーとするドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明 実験計画３．光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製
これに対応して、以下の実験方法でアプローチを行っている。
実験方法1.高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立 アゾベンゼンを含む、多官能性の分子を設計し、この分子と２官能性の分子を反応させたネットワーク高分子を合成することで、高速光応答性が実現できることが証明された。また、耐久性の高いポリイミドに変換することにより、耐熱性や経時安定性に優れた材料を得られた。実験方法2.光異性化をトリガーとしたドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明 ラマン分光により、トランス体とシス体の異性化率の割合を測定しようと試みているが、ネットワーク高分子中に含有されている溶媒のシグナルが強いため、アゾベンゼンのシグナルが隠れてしまい、確認できていない。より感度の高い測定法の利用を検討している。また、ドミノ倒し的運動は、ネットワーク高分子中に導入した蛍光ビーズが光照射された部分と照射されていない部分で、どのように動くかを解析して、推定しようとしている。実験方法3.光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製 予備的な実験を行い、アゾベンゼンを含む分子に導入したBoc基の脱保護を試みた。しかし、現在用いている光酸発生剤ではうまくいっていない。光酸発生剤の酸の強さを変えて実験を行う。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験計画１．高速光応答性アゾベンゼンの分子設計指針の確立 高速光応答を可能にする均一な網目構造を得るためのアゾベンゼンの分子設計指針はほぼ確立できた。そのため今後は実験計画２と実験計画３を中心に研究を行う。
実験計画２．光異性化をトリガーとするドミノ倒し的アゾベンゼンの異性化の証明 現在までの所、Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)顕微鏡を利用してアゾベンゼンのトランス体とシス体を検知しようとしてきた。しかし、現在の系はネットワーク高分子中に溶媒を95%ほど含むため、アゾベンゼンのシグナルが弱く検知できない。そこでより感度の高い、ラマン分光法にて解析を行う。
また、ネットワーク構造のマクロな動きは、ネットワーク高分子の網目よりもかなり大きな直径を有する蛍光ビーズをドープし、その動きをトレースすることで、解析する。
実験計画３．光酸発生剤を利用したネットワーク型フォトメカニカル材料のパターンニングおよびフォトメカニカル効果を利用したナノアクチュエーターの作製
予備的な実験を行い、アゾベンゼンを含む分子に導入したBoc基の脱保護を試みた。しかし、現在用いている光酸発生剤ではうまくいっていない。光酸発生剤としてはモノスルホニウム塩を利用しているが、そのカウンターイオンを変え、発生する酸の強さを変えて実験を行う。Boc基の脱離は主に薄膜クロマトグラフィーによる目視にて行っていたが、これを液体クロマトグラフィーに変更して定量的な解析を行う。
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