高分子の高次構造制御による機能集積型ナノ反応場の創出

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J06881
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 日比 裕理 東京工業大学, 資源化学研究所, 特別研究員(SPD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: ブロックコポリマー / ミクロ相分離 / 固液反応 / 透水膜 / ナノリアクター / 触媒膜

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、膜面に対して垂直配向したシリンダー相を形成する、親水性ポリエチレンオキサイド(PEO)と液晶性側鎖を有するメタクリレート(PMALc)からなるブロック共重合体のミクロ相分離界面に、機能基を集積することで、PEOナノシリンダーをフロー型のナノリアクター化し、原料のインプットと生成物のアウトプットが連続的に行われる触媒膜を開発することを目的としている。本年度の成果は主に以下の三点である。
【1.多孔質支持基板上へのブロックコポリマー層大面積塗工法の確立】これまでにも、表面エネルギーの中性化処理が施された平滑な基板上での垂直配向シリンダー相は報告されているが、その殆どは物質透過性を有さないため、フローナノリアクターとしての応用は困難であった。本年度は、物質透過性を有する多孔質基板上に、大面積にわたって均質なブロック共重合体の薄膜を直接塗工・製膜し、シリンダー相を垂直配向させる手法を新たに確立した。
【2.新規トリブロック共重合体による相分離界面の多機能化】本研究では、ブロック共重合体のブロック接合点に機能性官能基を導入することで、ミクロ相分離構造の界面機能化を狙っている。本年度は、高反応性基を接合点に有する共重合体を相分離させた後に、固液反応で機能性官能基を導入し、多様な機能を一様に相分離構造に付与可能な手法を確立した。
【3.固体NMRを用いた分子運動論的アプローチによる透水挙動の解析】EO-PMALcブロック共重合体の相分離構造は、PEOナノシリンダーが温度応答性の透水チャンネルとして機能することが明らかとなっているが、このメカニズムの詳細な考察は行われてこなかった。本年度は、含水した薄膜サンプルの固体NMR測定より水の横緩和時間測定をから、40℃以上でPEOが部分的に凝集することでシリンダー内部に間隙が開き、透水性が向上するのではないかとの仮説を提唱した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、膜面に対し垂直配向したナノシリンダーアレイ構造をフロー型のナノリアクターとして用いる上で、必要不可欠となる多孔質基板上への薄膜の直接塗工法を確立した。また、広範な官能基を相分離界面に導入可能とした、設計自由度の高い新規ブロック共重合体を発案し、実際に様々な機能基の導入に成功している。本年度中に得られたこれらの成果は、本研究課題の基盤技術・基盤分子と位置づけられ、来年度以降の応用発展が期待できる。
同時に、固体NMRを用いた透水水分子のダイナミクスの解析から、透水メカニズムの解明を試みており、さらなる膜機能向上を狙った分子設計へのフィードバックが期待できる。
以上、三年間プロジェクトの一年目として、概ね計画通りの進捗が見られ、次年度以降の発展に期待がもてる。

Strategy for Future Research Activity

本年度に確立した、①多孔質支持基板上へのブロックコポリマー層大面積塗工と、②新規トリブロック共重合体による相分離界面の多機能化、を今後融合させ、高い自由度で相分離界面の官能基修飾が可能な共重合体薄膜を、多孔質基板上に塗工することが可能となれば、様々な機能を有する薄膜を重ね合わせ、更なる機能集積が可能となる。また、工学プロセスも重視し、より簡便な手法でナノ反応場を様々な研究分野に提供可能なプラットフォームを構築することは、極めて有益と考えられる。具体的には、相分離済みの前駆体メンブレンをシリンジフィルターのような形にパッキングし、機能性分子の水溶液をシリンジに注入して送液することで、オンデマンドに相分離界面の機能化が可能となるスマート材料へと展開させていく。
また、直径10 nm程度、長さ1000 nmのPEOが充填されたシリンダーが、物質透過能力を有することは、今後の応用展開を考える上で極めて興味深い。サイズ・化学選択的分離膜としての応用はもちろん、物質がこのチャンネルを透過する際のシグナルを検出することで、高感度センサーや高分子の配列解析への展開を計画している。