2016 Fiscal Year Annual Research Report
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
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15H05758
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | ゲル / コロイド / イオン液体 / ソフトマテリアル / 自律性 / 溶媒和 / ブロック共重合体 / 自己組織化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高分子ゲル・コロイドなどのソフトマテリアルは、その構成成分のほとんどが液体である場合が多く、このため物質の内部自由度は大きく、外部刺激に応答するスマートマテリアルとしての期待が大きい。しかし、これまでの研究は高分子に主眼をおいており、主構成成分の液体の構造や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い。これらの自律的な構造形成・揺らぎ・転移は液体の構造形成性に根源があるとの視点が本研究の原点である。本研究では、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ており、以下の項目を検討している。
(1) 高分子のイオン液体中への溶解現象の理解：高分子のイオン液体中への溶解性を理解するうえで欠かせない視点は、カチオンあるいはアニオンと高分子の相互作用に、イオン間相互作用が競合する点である。溶解性を支配するイオンと高分子との相互作用を分類し、溶解現象の理解を図っている。
(2) 温度によるソフトマテリアルの自律性発現：イオン液体中で上限臨界溶液温度型、下限臨界溶液温度型相分離を示す高分子の相挙動を、イオン液体の構造形成性、高分子に誘起される液体構造変化という観点から精査している。
(3) 光によるソフトマテリアルの自律性発現：温度により自律的発現する高分子系、特にブロック共重合体系にフォトクロミック化合物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目指している。
(4) 化学反応によるソフトマテリアルの自律性発現：イオン液体中での化学振動反応（Belousov-Zhabotinsky反応）を見出し、これ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ている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までの進捗状況を項目ごとにまとめる。
(1) 高分子のイオン液体中への溶解現象の理解：リチウム塩と低分子オリゴエーテルの等モル比混合物は、リチウムイオンをオリゴエーテルが配位することで溶媒和カチオンとなり、イオン液体類似の性質を示す。この溶媒和イオン液体への高分子の溶解挙動を理解するため、低分子モデル―溶媒和イオン液体のNMR、X線回折やMDシミュレーションを行った。その結果、従来のイオン液体とは異なる溶媒和構造を形成していることを明らかにした。
(2) 温度によるソフトマテリアルの自律性発現：構造をわずかに変えた2種類の高分子のイオン液体または溶媒和イオン液体溶液が、下限臨界溶液温度型相挙動を示すことを見出した。2種類の高分子の相転移温度の序列は両イオン液体で異なり、(1)で述べたとおり溶媒和構造の相違に起因することが示唆された。
(3) 光によるソフトマテリアルの自律性発現：陽イオンにフォトクロミック物質を結合したイオン液体を合成した。上限臨界溶液温度型相挙動を示す高分子―イオン液体系、特にブロック共重合体―イオン液体系に、合成した光応答性イオン液体を導入することで、光照射による転移温度制御さらには光治癒性を達成した。
(4) 化学反応によるソフトマテリアルの自律性発現：より詳細にPILs構造とBZ反応の関係を検討した結果、カチオン構造の違いによりBZ反応の振動挙動が大きく異なり、カチオン構造中のアルキル鎖長が振動現象の安定性に関係することを示した。またPILsをプロトンソースとするBZ反応を利用した自律・周期的な高分子のコイル―グロビュール転移の生起に初めて成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究で特に力点を置くテーマは、①高分子構造を非イオン性高分子からイオン性高分子（高分子電解質）へ広げた検討 ②イオン液体の種類をプロトン性イオン液体へ広げ、溶解挙動について構造化学的・熱力学的アプローチで検討 ③相転移現象前後における凝集体の可視化について検討を進める。研究推進体制は①国際共同研究を広げる。現在も共同しているMinnesota大のLodgeグループとはイオン液体／ブロック共重合体系の自己組織化構造について、Newcastle大のAtkinグループとはブロック共重合体の固体｜イオン液体界面の構造について共同研究を進める。②国内共同研究は、東大物性研の柴山グループとはイオン液体中の高分子の溶存状態を散乱分析により調べるための共同研究関係を強化する。それぞれの項目に関する今後の方針は以下のとおりである。
(1) 高分子のイオン液体中への溶解現象の理解：高分子の種類を非イオン性高分子から高分子電解質に展開し、その溶解挙動について詳細に解析する。
(2) 温度によるソフトマテリアルの自律性発現：イオン液体構造を非プロトン性イオン液体や溶媒和イオン液体から、プロトン性イオン液体にした際の高分子の特異的溶解性を検討する。
(3) 光によるソフトマテリアルの自律性発現：ブロック共重合体の光照射による相転移温度変化を利用した光治癒材料の創製と、その治癒時間の短縮や治癒後のゲルの強靭化を目指す。また光照射による相転移現象の、AFMなど顕微鏡による可視化に取り組む。
(4) 化学反応によるソフトマテリアルの自律性発現：PILsを用いたBZ反応を単一高分子鎖から高分子ゲル系に拡張することで、穏和条件下での自律的なゲルの膨潤・収縮振動を実現し、新規ゲルアクチュエータへの適用を目指す。またブロック共重合体系に応用することで、自己集合構造の周期的変化を発現する自律性ソフトマテリアルを創製する。
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Research Products
(51 results)
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[Journal Article] Ionic liquids and their solid-state analogues as materials for energy generation and storage2016
Author(s)
Douglas R. MacFarlane, Maria Forsyth, Patrick C. Howlett, Mega Kar, Stefano Passerini, Jennifer M. Pringle, Hiroyuki Ohno, Masayoshi Watanabe, Feng Yan, Wenjun Zheng, Shiguo Zhang, Jie Zhang
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Journal Title
Nat. Rev. Mater.
Volume: 1
Pages: 15005 (1-15)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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