光拡張：バイオベースのポリエステルハードフィルム

ドライ状態で、ガラス転移温度が高い硬質プラスチックフィルムで「光膨張」現象が発生し、これは本質的にエラストマーまたはゲルのような非常に柔らかいアクチュエータとは異なります。 光拡張ハードアクチュエータは、溶媒のようなギファソン物質を含まず、従来のものよりもはるかに耐熱性があるので、幅広い分野に適用されるものと予想された。

石川、2021年4月22日 – 光によって機能を発揮する高分子は、素子の小型化、省エネ、正確な信号制御が可能なため、数十年の間に研究されてきました。 アゾベンゼン、ジアレテンなどをベースにしたポリマーが先駆者であり、光駆動モータと、人工筋肉の多くの事例が報告されました。 一方、天然木のリグニンを構成するギェピサンも紫外線（UV）による機能を発揮して高分子に適用されている。 これらのシンナーメイト系ポリマーの変形機構は、二重結合シス – トランス異性化と [2+2] cycloadditionはほぼ同時に発生します。 そのメカニズムは明らかではないため、光変形材料としての使用は、上記のアゾベンゼンとディアレテン同様に多くの関心を受けなかった。

これらの問題を解決するために、日本の科学技術研究所（JAIST）の研究チームは、バイオベースのポリシンナーめフィルムのフォト曲げ機構を調査しています。 彼らの最新の研究では、 ACSアプリケーション材料とのインターフェイス、金子達雄教授と高田賢治准教授が村田秀幸教授、オケヨッシー功補助教授、アミット・クマール研究助教授が参加しました。

この研究では、ポリエステルは、シンナーメイトの芳香族物質にヒドロキシル基が置換されたクマレートに基づいて合成された。 その中で光変形性を示すことは、ポリ（3-ヒドロキシ体南山）（P3HCA）とポリ（3,4-ジヒドロキシ体南山）（PdHCA）であった。 両方のフィルムの両方シンナーメイトの単位を持っていたP3HCAは、UVソースに対して凸変形を見せPdHCAはそれぞれ凹面変形を示した。 これらの違いは、様々なスペクトル解析を介して分析された。 まず、蛍光寿命を測定したときP3HCAには二つの励起状態があることを知ることができた。 次に、時間分解赤外（IR）分光測定により、UV照射中IRスペクトルの変化からシンナーメイトユニットの二重結合の吸収を追跡しました。 P3HCAの場合UV照射時間を増やすことによって、cis型-CH = CH-結合の吸収が増加することを確認した。 一方、PdHCAはcis型-CH = CH-の吸収に変化がないことを確認した。 これらの光拡張を証明するためにP3HCAフィルムをフォトマスクで覆い、上から紫外線を照射する実験を行いました。 フリースタンディングフィルムにフォトマスクを介してUVを照射したときの調査されていない面も変形を示した。 したがって、ガラス基板にP3HCAフィルムをコーティングした状態で照射実験を行ったときの表面の変形がなく、UVを照射しておらず、フォトマスクで覆われた部分の変形が観察されなかった。 以上の結果からP3HCAはシス異性化によりUVに対して「膨張」して凸変形を示すことがわかった。

バイオベースであり、UV光線の変形を制御することができる他の例はありません。 また、今回の研究を通じて、ポリシンナーマイトの変形メカニズムを解明することにより、高密度ポリマー設計をベースにした高精度の光変形制御を期待することができる。 Kaneko教授が説明するように、光変形性は、分子の「形」に依存します。 「同じ成分であるにもかかわらず、変形挙動が違いました。これらの結果は、シンナーメイトベースポリマーの構造と物理的特性との間の相関関係を強力に後押しし、この研究では、バイオベースと光反応性ポリマーの良い面があります。 “ また、分子設計をベースにした新素材の開発に大きく寄与するものと期待される。

光変形物質としてバイオベースポリシンナーメイトの追加進展は、我々は、より正確に制御可能なアクチュエータと、持続可能な社会のより近いことください。

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参考

原著タイトル：「バイオベースポリエステルの光膨張：アモルファスポリシンナーメイトハードフィルムの時間分解測定によるメカニズムの分析」

日誌： ACSアプリケーション材料とのインターフェイス （ACS出版）

DOI：10.1021 / acsami.0c22922

日本の科学技術研究所（Japan Advanced Institute of Science and Technology）について

1990年、石川県で設立された日本の科学技術院（JAIST）は、日本初の独立国家大学院です。 30年の安定した発展の末JAISTは日本最高の大学の一つとなった。 JAISTは、複数の衛星キャンパスを考慮し多様性が重要である最先端の教育システムに有能なリーダーを育成するために努力します。 卒業生の約40％が留学生です。 この大学は、学生が最先端の研究を行うことができる強固な基盤を備えることができるように慎重に設計されたカリキュラムの中心のカリキュラムをベースにしたユニークなスタイルの大学院教育を提供しています。 JAISTはまた、産学共同研究を促進し、地域や海外のコミュニティと密接に協力します。

日本の科学技術研究所の金子達雄教授と高田健治助教授紹介

Tatsuo Kanekoは、1993年にTokyo Techで学士とPh.D. 1998年に同大学で高分子化学を専攻しました。 博士号を取得する1年前に彼は北海道の大学でAssis教授教授に合流した後、鹿児島大学と大阪大学に移動しました。 その後JAISTに入社し、2016年にFull Professorに昇進しました。 また、2012年Timothy Deming教授の承認を受けてUCLAのVisiting Assoc教授として参加しました。 現在の研究の関心分野は軟質物質、高分子電解質、バイオプラスチックなどです。 日本の化学学会、いくつかの財団から賞を受けました。 第251回ACS全国会議」Best presentation “、第12回IUPAC NMS-XII” Distinguished Award “、” Gottfried Wagener Prize “、第9回German Innovation Awardなどの国際賞受賞しました。

Kenji Takadaは、2011年に北海道大学で学士号を取得し、博士号を取得。 彼は2015年に同大学で高分子化学を専攻しました。 彼は後に、若い科学者DC1とPDのJSPS研究員としての研究者およびポスドク研究員に任命されました。 2021年に助教授としてJAISTに参加しました。 彼の研究の興味は、ビニルモノマーの生きているアニオンまたはラジカル重合ます。 彼はまた、生体分子ベースのプラスチック、高性能ポリマーと光機能性材料について研究しています。

資金について

この研究では、JST-ALCAプログラム（Grant umber JPMJAL1010）によってサポートされた。