【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】22550109 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

機能性高分子 / 高分子 / ホログラム / 光 / 液晶 / 力学解析 / アゾベンゼン / フィルム

【研究成果の概要】

本課題では,光応答性分子を組み込んだ液晶高分子周期構造体を作製し,光駆動型ホログラムの創製を行った。光応答性液晶高分子の周期構造体に紫外・可視光を照射し,ナノ周期構造の可逆的な変形を誘起する新しい作動原理を用いることにより,ナノ光アクチュエーターや光スイッチを実現すると同時に,未知な点が多い高分子の微小変形現象を容易に解析する新手法を提供することを目的とした。架橋液晶高分子フィルムが屈曲するプロセスにおけるナノスケールの分子形状変化とマクロなフィルム変形挙動とのつながりを光学的に計測したところ,アゾベンゼンのシス体の生成量がわずか1mol%の低濃度であっても屈曲は起こりうる事がわかった。また同時にフィルムのヤング率が最大60%減少する事を明らかにした。フィルム表面に周期構造体をラベル化したフィルムを用いる事により,フィルム屈曲における表面歪みを計測する事に成功した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】機能材料・デバイス

【研究領域課題番号】17750175 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子 / 微粒子 / フォトニック結晶 / 液晶 / アゾベンゼン / 高分子微粒子 / ナノ微粒子 / ソープフリー乳化重合 / 屈折率 / 周期構造体 / コロイド結晶

【研究成果の概要】

光の波長程度の周期的な屈折率変化を有する周期構造体はフォトニック結晶構造とも呼ばれ,特定の光を透過・反射する特異な光学的性質を示す。この周期構造体に光応答性を付与できれば広い応用が可能になるため,微粒子の空隙や微粒子を鋳型にした逆オパール構造の隙間に色素や液晶を充填した光応答性周期構造体が報告されている。しかしながら,これらの充填系では周期的な屈折率変化が小さいため,大きな光応答性は得られていない。周期的な屈折率差および光で誘起される屈折率変化の両方を大きくできれば光応答性が格段に高い周期構造体になり得るが,周期構造そのものに光応答性を付与する試みはなされていないのが現状である。大きな複屈折を有することで知られる液晶高分子を基材に用いて周期構造体を作製できれば,本来の屈折率差を大きくできるばかりでなく,光で大きな屈折率変化を誘起できる。本年度では,光応答性を高分子液晶微粒子自体に付与した光応答性微粒子を合成し,自己集積化することで屈折率差の大きな光応答性周期構造体を作製した。周期構造体に波長488nmのアルゴンイオンレーザー光照射を行ったところ,ストップバンドのシフトを誘起できることがわかった。また,光応答性液晶高分子フィルムに干渉露光を行うことで一次元周期構造体を作成し,光導波路カップラーへの応用を検討した。フィルム表面に偏光ホログラムを作製することで従来と比較して高い出射効率を得られることが明らかとなった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】機能材料・デバイス

【研究領域課題番号】16105004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホログラム / 高分子 / 液晶 / アゾベンゼン / 屈折率 / 光記録 / 複屈折 / トラン

【研究成果の概要】

高複屈折液晶高分子の大きな屈折率変化を利用することにより, 記録書き換え可能・高速応答・高回折効率・高光感度を実現する新規高性能ホログラム材料の開発を行った.さらに, 架橋を施した架橋液晶高分子においては, 分子形状変化を巨視的な運動へ増幅できることを明らかにした.

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2004 - 2008

【配分額】105,430千円 (直接経費: 81,100千円、間接経費: 24,330千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】15350008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

定在波法 / 極端軟X線 / 有機薄膜 / アゾベンゼン / 構造解析 / 液晶

【研究成果の概要】

本課題は、波長が20Å以上の極端軟X線をプローブとして、超格子基板の土に形成した有機薄膜の基板垂直方向の位置情報を定在波法によって調べる手法の開発を行い、実際の有機薄膜の構造研究へ応用することを目的としている。本手法では、散乱面に対する特定原子の位置情報をその原子からのX線光電子を検出することによって行うことに特徴がある。初年度の研究によって、極端軟X線と超格子基板(W/C)_<80>(d=30.9gÅ)による定在波発生の確認と、光電子検出による定在波プロファイルの測定と解析を行い、精度よく(誤差:0.5Å)構造情報が得られることを示した。2年目は、本手法を分子の配向情報が分かるX線吸収分光法と組み合わせて、有機薄膜の構造解析への応用研究を行った。
研究対象にした有機薄膜は、アゾベンゼンを含む長鎖カルボン酸分子の単分子膜である。紫外光照射によるアゾベンゼンの光異性化によって薄膜構造がどのように変わるかに注目して研究を行った。光照射前のtrans体の薄膜では、分子軸は表面垂直から約50度傾き、アゾベンゼン中の二つの窒素原子の中心は、基板表面から10.3Åの高さに位置する。375nmの紫外光を照射すると、詳細な実験の結果、窒素原子より下の部分は構造変化しないが、窒素原子より上の部分が折れ曲がり、表面垂直から30度の傾きでより立ち上がることが明らかになった。また、アゾベンゼンの共役平面は光照射によってより立ち上がる方向に変化する。これまで、アゾベンゼンを含む有機薄膜の研究はたくさんあるが、本研究はアゾベンゼンの光異性化に伴う単分子膜の構造変化を詳細に明らかにした初めての例である。今後、本手法は有機薄膜の構造解析手法の一つとして有用になると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】15,300千円 (直接経費: 15,300千円)

【研究分野】機能・物性・材料

【研究領域課題番号】14740376 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトニクス / 周期構造体 / フォトニック結晶 / 表面レリーフ / 偏光 / アゾベンゼン / 液晶 / 光スイッチ / ホログラフィー / 光重合 / 過渡回折格子 / 光スイッチング

【研究成果の概要】

近年,飛躍的に増大する情報量を高速に処理できる次世代技術として光で光を処理するフォトニクスが注目されている。フォトニクスでは,光を流す(導波),分ける(分波),合わせる(合波)切り替える(スィッチング)といったさまざまな機能を有する素子を小型かつ安価に作製し,それらを巧みに組み上げる必要がある。空間的な屈折率分布を制御することで,導波,分波,合波が,時間的に屈折率を変化すればスイッチングが可能となる。アゾベンゼン液晶では,大きな屈折率変化が高感度で誘起されることからスイッチング素子として好適である。またこれまでに,光の干渉であるホログラフィーを利用してモノマーの光重合を行うことで,ナノメーターオーダーの二次元周期構造体を極めて簡便な手法で作製することに成功している。そこで本研究では,ホログラフィーを利用して高分子アゾベンゼン液晶の二次元周期構造体を簡便な方法で作製し,高感度高屈折率変化型の光スイッチング素子への応用を検討することを目的とした。アルゴンイオンレーザーの波長488nmの光を液晶モノマー混合物のフィルム上で干渉させ,光重合を利用してアゾベンゼン部位を有する高分子フィルムを作製した。未反応モノマーを除去した後,得られた構造体をAFM,SEMで観察したところ,表面に規則的な二次元周期構造を有することが明らかとなった。構造体に波長633nmの偏光を入射し発生する回折光の強度を測定したところ,入射偏光に応じて回折方向が変化することがわかった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】14655355 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトニクス / エラストマー / アゾベンゼン / 光屈曲 / 偏光 / 光力学変換 / 液晶 / MEMS / ゲル / 架橋剤 / 異方性 / フォトクロミズム

【研究成果の概要】

代表的なフォトクロミック色素であるアゾベンゼンは異性化により分子長を変化できる。このためアゾベンゼンの分子長変化というミクロな効果を利用して,ゲルの変形というマクロな形状変化を誘起できる可能性がある。これまでに申請者らは,高分子アゾベンゼン液晶の光駆動に関する一連の研究を行い,高分子液晶が光に対して鋭敏にかつ高速(応答時間,100ns)に応答することを明らかにした。これらの結果から,高分子アゾベンゼン液晶をゲルの基材として用いると,外場に対して敏感かつ高速に応答し,大きな形状変化を誘起できると考えた。上記の着想に基づいて本研究では高分子アゾベンゼン液晶を用いて光刺激により自律的に運動する高分子ゲルを開発することを目的とした。液晶性を示すアゾベンゼンモノマーを架橋剤とともにセル内で熱および光重合することで,厚さ数十ミクロンのエラストマーフィルムを得た。このフィルムはモノマーの良溶媒中で異方的に膨潤することが明らかとなった。さらに,このフィルムに紫外光照射を行うと,照射方向にフィルムが数十秒で屈曲することがわかった。可視光の照射によってフィルムは本の状態に戻り可逆的な光屈曲を誘起できた。また,ガラス転移温度以上にフィルムを加熱することで,溶媒を用いずエラストマーフィルムの光屈曲を誘起できることが明らかとなった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】13305063 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホログラム / 液晶 / アゾベンゼン / 光記録 / 光スイッチング / 高分子 / 屈折率 / 回折格子 / 3環フェニルアセチレン / フォトクロミズム / 複屈折 / ホログラフィー / 屈折率変調 / 光相転移

【研究成果の概要】

ホログラムは光の干渉によって形成される回折格子中に光信号の強度情報と位相情報を同時に合わせもつため,画像情報の高密度多重記録・再生が可能である。これまでにホログラム記録材料として,有機色素/ポリメチルメタクリレートという原始的な有機材料や無機のフォトリフラクティブ材料が用いられているが,記録情報の書き換えや薄膜化が困難なことや,書込速度・アクセス速度の点で実用材料には到っていない。高速アクセスが可能な書換型高密度ホログラフィックメモリーを実現するためには,光によって屈折率を高速に,しかも可逆的に変調でき,かつ加工性に優れた新しい材料を開発する必要がある。
本研究では,1)製膜性に優れる高分子と,2)屈折率異方性をもつ液晶と,3)可逆的な光異性化反応を示すフォトクロミック分子を組み合わせ,ナノ秒スケールで高速にデジタル情報が書き込め,かつ書き換えが可能な高密度ホログラフィックメモリーを構築することを目的とした。
高分子アゾベンゼン液晶系におけるホログラム書き込みの応答性を調べるため,二光束に分けたピコ秒レーザーパルス(355nm;20ps,fwhm)をサンプルフィルム(膜厚:100nm)上で干渉させ,一次回折光の発生および減衰の過程を時間分解測定した。その結果,レーザーパルス照射により回折光は200nsで立ち上がり,極めて高速な応答を示すことが分かった。さらに,高分子アゾベンゼン液晶の厚膜(膜厚:20μm)を用い定常光で書き込みを行ったところ,ブラッグ領域でのホログラム記録が可能となり,43%という従来に比べ高い回折効率が達成できた。さらに,この記録は書き換え可能であることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】49,400千円 (直接経費: 38,000千円、間接経費: 11,400千円)

【研究分野】工業物理化学

【研究領域課題番号】12555242 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液晶 / 三次元配向変化 / 光 / ポリイミド配向膜 / アゾベンゼン / プレチルト / 偏光照射 / ラビングレス / フォトクロミック分子 / ホログラフィー / 記録 / 表示 / 高分子アゾベンゼン液晶 / フォトニクス / 回折格子

【研究成果の概要】

光を照射することで低分子ネマチック液晶の配向を制御できる光応答性液晶配向膜では,従来のラビング液晶配向技術で問題となっていた屑・ダストを発生することなく,微小領域の液晶配向を選択的かつ任意に制御できることから注目を集めている。本研究では,光照射によって液晶の配向を制御する液晶デバイス用光配向膜を開発し,新規ラビングレス液晶配向制御技術を確立することを目的とした。これまでの結果から,種々のポリイミド配向膜に偏光を照射することで,液晶が照射偏光に対して垂直に配向することが明らかとなっていた。本年度においては,従来別々に行われていた光照射プロセスとイミド化プロセスを同時に行うことで,プロセスの簡略化を目指すとともに従来と異なる液晶配向挙動を期待した。熱イミド化を行う過程で光を照射した結果,作製した配向膜の液晶配向方向は光照射温度によって大きく異なることが明らかとなった。温度が170度以下の場合あるいは250度以上の場合には,液晶の配向方向は照射偏光に対して垂直であったが,200度近辺では,照射した偏光と平行に液晶が配向することが明らかとなった。液晶デバイスでは,液晶のプレチルト角を三次元に精密制御する必要がある。偏光に垂直配向する従来の配向膜では,偏光照射を一回行う必要があった。本研究で開発した,偏光に対して平行に配向液晶が配向する配向模では,一回の光照射で三次元に制御できる可能性がきわめて高い。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)

【研究分野】電子材料工学

【研究領域課題番号】04555067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

変位電流 / ラングミュア膜 / LB / 光異性化 / 相転移 / 液晶 / 有機単分子膜 / アゾベンゼン / LB膜 / 単分子膜 / 変位電流計測システム / LBトラフ / 光・変位電流変換

【研究成果の概要】

有機分子の持つ電子的および光学的機能を、分子レベルで引き出すことを可能にするための技術を、分子膜の極限の厚さを持つ単分子膜において実現することは、分子電子素子実現に向けた基盤技術の一つとして重要である。誘電体の分極という重要な基本概念を基礎とすれば、単分子膜に外部刺激(圧力、光、熱など)を与えた時、分子膜内で分子が動的に挙動する過程(双極子の回転など)を変位電流として検出可能とするためのシステムの構築が是非とも必要である。そこで、本研究では、第1の目的として、有機単分子膜に各種の外部刺激が加えられた時の出力を変位電流として計測できるようなシステムを開発することを目指した。さらに第2の目的として、開発したシステムを用いて有機単分子膜という分子膜レベルでの光変位電流変換型の新規な記録素子を試作することも目指した。
そして、国内外では単分子膜の変位電流を計測した例は知られていなかったため、試行錯誤ではあったが、以下に示す項目について、当初の計画をほぼ達成することができた。
1 水面上単分子膜の評価システムの開発
ダブルバリアを採用し、膜の圧縮・拡張、光刺激の各種モードに対する変位電流計測を行う事ができ、同時に光吸収測定も行える高機能な評価システムを開発した。
2 各種刺激(光、圧力)に対する水面上単分子膜の変位電流計測
3 単分子膜の光-変位電流変換機能
4 変位電流と吸収スペクトルの同時測定
5 固体基板上単分子膜の光-変位電流測定、熱刺激変位電流計測
光変位電流変換型記録素子の試作として、基板上単分子膜の変位電流計測を行い、波長や偏光による評価、熱刺激に対する応答を評価した。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1994

【配分額】10,900千円 (直接経費: 10,900千円)