産総研、光照射で損傷を自己修復できるゲル状スマートマテリアルを開発
成果は、産総研ナノシステム研究部門 スマートマテリアルグループの吉田勝研究グループ長と山本貴広研究員らの研究グループによるもの。
研究の詳細な内容は、日本時間5月24日付けで米化学会誌「Langmuir」オンライン版に掲載された。
また、5月29〜31日にパシフィコ横浜で開催される「第61回高分子学会年次大会」において発表される予定だ。
ゲルとは、分散質(分散している粒子)が三次元網目構造を構築することにより流動性が失われ、系全体としては固体状になった物質のことをいう。
分散質が高分子の場合に得られるゼラチンやゼリーが代表的なゲルである。
一方、分散系の1種で、分散質が液体の分散媒に浮遊するコロイド分散系で、流動性に富む液体状態にあるものを「ゾル」と呼ぶ。
脂肪やタンパク質粒子が分散質である牛乳が代表的なゾルだ。
近年では、部材や機器の耐久性向上や長寿命化による省資源・省エネルギーへの貢献を目的として、ゲル物質を用いた「自己修復材料」の開発が進められている。
自己修復材料には、(1)室温・大気中など温和な環境で自己修復できる、(2)損傷を修復するために外部からの添加物を必要としない、(3)繰り返し修復が可能である、などの特性が要求される。
さらに実用的観点からは、「短時間で自己修復できる」ことも重要な特性であり、自己修復材料へ応用できる優れた特性のゲル材料が望まれているところだ。
ゲルの応用にも注目しているのが産総研で、さまざまなゲル化剤の開発に取り組んでいる。
近年では、2007年に種々の溶媒をゲル化できる「有機電解質オリゴマー」を開発していた。
また、それと並行して新たなゲル材料の開発を目指し、液晶中に高分子微粒子などを分散させた微粒子/液晶複合系に「アゾベンゼン誘導体」を組み込んだ「光応答性材料」を開発してきた。
なおアゾベンゼンとは、「光異性化反応」を起こす代表的な分子だ。
光異性化反応とは、ある物質を構成する原子の数を保ったまま、構造(原子のつながり方)が変化することを「異性化」というが、この反応が光エネルギーによって起こることをいう。
そして、アゾベンゼンは2つの窒素原子間の二重結合に対して、結合した2つのベンゼン環が反対側に出ているものを「トランス体」、同じ側に出ているものを「シス体」と呼ぶ(画像1)。
産総研は、これまでにアゾベンゼン誘導体のそうしたシス-トランス光異性化反応を利用して、微粒子の凝集状態や材料の光学物性を光で制御することに成功している。
また光応答性材料とは、光を当てることにより、物質の性質が変化する材料の総称だ(光異性化反応を起こす物質もその内の1つ)。
材料の光学的性質(色、屈折率)、磁気的性質、溶解度、形状などが変化する。
今回は、これまでに知られていた、液晶中で高分子微粒子が三次元網目構造を形成することによって微粒子/液晶複合系がゲル状態を発現することに、光応答性材料を組み合わせ、三次元網目構造を光で制御してゾル-ゲル転移させる光修復材料が開発された。
光応答性材料として少量のアゾベンゼン誘導体を用い、アゾベンゼン誘導体のシス-トランス光異性化反応によって、ゾル-ゲル転移を生じさせてゲル材料表面の損傷を修復させるという仕組みである(画像2)。
画像2のゲル材料は、少量のアゾベンゼン誘導体(約1モル(mol)%)を溶解した液晶に高分子微粒子(約20質量パーセント濃度(wt%))を分散させて調製されたものだ。
