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2019 年度 実績報告書

数学的アプローチによる新奇超分子系材料創成と解析

公募研究

研究領域次世代物質探索のための離散幾何学
研究課題/領域番号 18H04470
研究機関北海道大学

研究代表者

山本 拓矢  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30525986)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
キーワード環状高分子 / P3HT
研究実績の概要

本研究課題において、環状高分子とカーボンナノチューブ(CNT)との複合化・ネットワーク化による高分子トポロジーに立脚した高分散安定化現象を、領域内の共同研究を通して数学・情報学的基盤に基づき解明し、その応用として新規材料の開発を試みた。
まず、完全共役構造を有する環状Poly(3-Hexylthiophene)(P3HT)の合成に成功し、これがCNTに対し優れた分散安定性を付与することを見出した。さらに、P3HTのトポロジー(直鎖または環)に依存したCNTの分散安定化を定量的に評価するために、領域内共同研究によってTEM画像の情報学的解析を行った。つまり、P3HTのトポロジーに依存したCNTの分散安定化を、畳み込みニューラルネットワークを用いた機械学習により評価する方法を見出た。ここで、環状高分子がナノ構造体を高分散安定化する原理の解明と新奇機能材料開発のために、CNT上のP3HTネットワークおよび複合材料中のCNTネットワークの階層構造解析として、CNTとP3HT複合体のTEM画像の分析に際して、その分散性を目視で見積もり、P3HTのトポロジーを評価する手法には客観性と正確さに限界があった。そのため、畳み込みニューラルネットワークによる機械学習を用いて、中程度の精度(62~80%)ながら画像から構成成分(直鎖状P3HTまたは環状P3HT)を見極める手法を開発した。この手法の実用化と汎用化に向け、P3HTの分子量やCNTの直径を変化させて同様のTEM画像解析を行い、これらの要因がどのように解析精度に影響するのか精査した。また、CNTと環状P3HT複合構造の高分解能TEMを測定したところ、CNTを構成する炭素原子も確認できるほど分解能で、高分子1本1本が観察できた。
さらに、本研究期間の成果として1本の高分子鎖に複数の異なる官能基を導入し、その折りたたみ様式を制御することで異なる2環状トポロジー(8の字型、θ型、および手錠型)を選択的に構築した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 6件、 招待講演 8件)

  • [雑誌論文] Synthesis and Unimolecular ESA-CF Polymer Cyclization of Zwitterionic Telechelic Precursors2019

    • 著者名/発表者名
      Konomoto, T.; Nakamura, K.; Yamamoto, T.; *Tezuka, Y.
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 52 ページ: 9208-9219

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.9b01793

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 環状高分子合成の進展と機能材料への可能性2019

    • 著者名/発表者名
      *山本拓矢
    • 雑誌名

      高分子

      巻: 68 ページ: 613-617

    • 査読あり
  • [学会発表] 環状高分子の合成と機能発現2020

    • 著者名/発表者名
      山本拓矢
    • 学会等名
      先導研講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Cyclic Polymers Synthesis and Characterization2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, T.
    • 学会等名
      The Second International Conference of Polymeric and Organic Materials in Yamagata University
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cyclic Polymer Synthesis and Their Unique Characteristics2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, T.
    • 学会等名
      Invited Lecture
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of Cyclic Polymers and Their Unique Properties2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, T.
    • 学会等名
      Korea-Japan Joint Polymer Symposium on Polymer Science 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Advanced Synthesis of Cyclic Polymers and Their Unique Characteristics2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, T.
    • 学会等名
      Polymers and Networks via Topology and Entanglement
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 環状P3HTを用いたカーボンナノチューブの分散と画像認識による高分子トポロジーの識別2019

    • 著者名/発表者名
      山本拓矢
    • 学会等名
      次世代物質探索のための離散幾何学 研究成果発表会
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis and Unique Properties of Cyclic Polymers2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, T.
    • 学会等名
      2nd Asian-French Workshop on Polymer Science
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Synthesis and Properties of Defect-Free Cyclic P3HT2019

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, T.
    • 学会等名
      National Central University-Hokkaido University Joint Symposium
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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