私たちの研究グループでは、超分子材料および高分子材料を対象として、分子設計、自己組織化、機能化に取り組んでいます。 ナノスケールでの分子集合構造を精密に制御することで、イオン・電子の輸送を制御するとともに、電気・光・熱などのエネルギーを力学的エネルギーへ変換する機能性材料を開発します。最終的な目標は、分子メカトロニクスにおける新しい概念を確立するとともに、ソフトロボティクス、触覚センシングへの応用を可能にする機能性材料を創出することです。

　高速イオン伝導を示すフレキシブルな有機高分子膜材料の開発は、ソフトアクチュエータ、燃料電池、リチウムイオン電池、水処理膜などの高性能化に向けた重要な課題となっています。
　我々は、分子が自発的に秩序構造を形成し、表面処理や電場、光などの外部刺激に応答する液晶の特性を活用し、高速なイオン伝導パスを構築する研究を行っています。これにより既存材料では実現が困難な一次元・二次元の異方的イオン伝導パスの構築に加え、液晶－液晶相転移を利用したイオン伝導ON/OFFスイッチングや、液晶配向変化を利用したイオン伝導方向のスイッチングが可能となります。特に、三次元的に連結したナノチャネルを有するジャイロイド液晶では、分子の自己組織化によって形成される連続的な三次元ネットワークを利用することで、イオンが三次元的に高速輸送される材料の構築を目指しています。
　また、液晶場における光重合を活用することで、液晶ナノ構造と配向を固定化した、フレキシブルかつ機械的に安定な架橋高分子フィルムを作製することもできます。具体的には、イオン液晶などの両親媒性分子とイオン液体の自己組織化やリン酸エステルとリチウム塩との錯形成によるイオン伝導路の次元制御に着目し、一次元・二次元異方的イオン伝導材料に加えて、三次元ジャイロイド液晶を基盤としたイオン伝導材料の開発を進めています。これらの材料を基盤として、高速応答・高出力を実現するイオン伝導型アクチュエータや、規則的なサイズのナノ細孔が連続的に形成された水処理膜の開発を展開しています。

　電気刺激を材料の変形へと変換する「電気－力学変換機能」は、アクチュエータや人工筋肉、触覚提示デバイス、マイクロロボティクスなど幅広い分野で強く求められています。従来、この機能は主として無機圧電材料や誘電エラストマーなどに依存してきました。しかし、無機材料は高電圧駆動や脆性といった課題を抱えており、エラストマーは大変位を示す一方で応答速度や発生力に限界があります。
　これに対し、液晶性高分子や超分子材料を基盤とする新しい電気－力学変換システムは、低電圧駆動・高応答性・柔軟性といった点で大きな可能性を有しています。中でも注目されるのは、ナノスケールの秩序構造を活用するイオン駆動型アクチュエータです。液晶分子の自己 組織化によって形成されるナノ相分離構造は、イオン輸送に適した効率的かつ方向性のあるチャンネルを構築します。電場下でのイオン移動を高効率に力学変形へと結びつけることができれば、従来のゲルやアモルファス高分子電解質では困難であった高周波応答や高出力駆動が実現可能となります。
　近年、我々は、イオン液体を内包するイオン性液晶光架橋膜や、リチウムイオン伝導性を有するリン酸エステル系液晶とビニル高分子の複合膜を対象に、イオンチャネルの次元性および配向性を制御することで、高性能なアクチュエータ素子の構築に取り組んできました。
　例えば、イオン性シェル構造を有する新規重合性カラムナー液晶分子を設計し、三次元的に連結したイオン伝導経路を形成することで、高いイオン伝導性を持つ光架橋フィルムが得られています。透過型電子顕微鏡により、そのナノ相分離構造を明らかにしています。電解質フィルムをポリチオフェン系導電性高分子（PEDOT:PSS）で挟んだ三層構造からなるアクチュエータ素子は、一次元イオン伝導チャンネルを持つカラムナー液晶ポリマーアクチュエータに比べ、より大きな変形歪、高周波数応答性、 さらには高出力（0.2–2.0 V印加で0.3–1.1 mN）を実現しました。加えて、電圧をオフにした後も変形が保持されるメモリー機能を示し、クラゲの運動を模倣したソフトロボットやグリッパーロボット、指輪型触覚提示素子への応用可能性を実証しています。

　残留分極を有し、電場によって可逆的に分極反転できる有機強誘電体材料は、センサー、メモリーデバイス、光デバイスなどに応用されています。強誘電体材料には、水素結合の形成、電荷移動相互作用、永久双極子の形成、分子キラリティーなどに基づいて形成されるものがあります。これらの材料の中でも、広い面積にわたって動的に秩序化された構造を形成できる強誘電性π共役系液晶は、次世代オプトエレクトロニクス材料として特に魅力的です。強誘電性と電子電荷キャリア輸送特性を組み合わせることで、有機エレクトロニクスに大きな革新をもたらす可能性があります。π共役分子を基盤とする強誘電性液晶については、光屈折効果や分極反転可能な整流特性などの特異な機能を示すこと、さらにバルク光起電力効果を示すことが報告されています。
　私たちはこれまでに、スメクチック液晶におけるキラル光起電力（CPV）効果について報告してきました。CPV効果は、新しいタイプの強誘電性光起電力（FePV）効果に分類することができます。BiFeO₃などの無機強誘電性セラミックスにおけるFePV効果については、数十年にわたって広く研究されてきましたが、有機材料におけるFePV効果については、これまで十分に研究されていません。そこで私たちは、従来のp−n接合やショットキー接合を必要としない新しいCPV材料の開発を目指し、π共役オリゴチオフェンから構成される強誘電性キラルスメクチックC*（SmC*）液晶材料を開発しました。
　オリゴチオフェン液晶にキラルドーパントを導入することで、中心対称性が破れることにより、極性構造の形成を誘起することに成功しました。さらに、π共役系の側方にトリルフロトメチル基を導入することで、分子の長軸に対して垂直方向の電気分極を誘起しました。このような分子設計により、分子が層法線に対して傾斜したSmC*相が形成されました。我々はアキラルなホスト液晶とキラルドーパントからなる二成分混合系を利用してSmC*相中に電荷キャリア輸送経路を構築し、CPV効果や液晶温度範囲を容易に調整できるようにしました。
　現在、強誘電半導体を活用する新たな光歪アクチュエータの創出を目指して、オキサジアゾールの永久双極子を活用するカラムナー液晶性強誘電体や有機無機ハイブリッドペロブスカイト強誘電体薄膜の開発を推進しています。

　パイ共役分子の積層構造や配列を動的に制御することができれば、外部刺激印加と材料の光学的特性や電気的特性がリンクした革新的な有機材料システムの構築が期待されます。我々は、複数の準安定パイ共役積層構造を形成して力学・熱・イオン刺激に応答して多色発光を示すパイ共役材料の開発を行っています。特に、発光性パイ共役構造をもつ液晶分子や光重合基を導入して光架橋させた高分子フィルムに加えて、クリック反応を利用する折りたたみ構造ポリマーやリビング重合を基盤とする金属配位フタロシアニンをコアとした星型高分子の合成を行っています。

　多孔性高分子分離膜は、ガスや物質の分離精製、脱塩水処理、ウイルスや毒ガスなどの危険物質の遮断防護など多様な分野での実用化が検討されています。ゼオライトなどの無機材料と比べて、高分子膜は成膜性・加工性に優れており、元素組成、化学結合、分子間相互作用の多様性により膜分離機能の調整が可能です。細孔径の違いにより高分子分離膜は、逆浸透膜（＜1 nm）、ナノろ過膜（1～2 nm）、限外ろ過膜（2～10 nm）、精密ろ過膜（10 nm～数μm）に分類されます。例えば、逆浸透膜としては、 支持膜上での酸塩化物とアミンとの界面重縮合による芳香族ポリアミド膜が実用化されています。より高性能な膜材料の開発には、均一な孔径をもち、膜を貫通する連続的ナノ空孔を構築することが重要です。これを解決する新しい手法として、液晶分子の自己組織化の活用が世界的に注目を集めています。
　私たちは、ジオール基を有する光重合性カラムナー液晶分子とイオン液体との水素結合性超分子を設計し、光重合の後に、イオン液体を洗浄除去することで規則的な一次元ナノポアを形成した高分子フィルムの開発に成功し、ウイルスや色素の除去を実現しました。現在は、イオン伝導機能を有するトリアジン系共有結合性構造体薄膜に加えて、インターロック構造のカテナン配位子を基盤とするフレキシブル金属有機構造体結晶の開発も進めています。

　有機トランジスタにメモリ機能を付与したOFETメモリは、画像記憶する大面積ディスプレイや、セキュリティーシステムなど、様々な用途が期待されています。OFETメモリは、従来の有機トランジスタ構造に加え、有機半導体と制御ゲートの間に、ナノフローティングゲートと呼ばれる電荷蓄積層を有しています。ゲート電圧を印加すると、ナノフローティングゲートには、トンネル層を介して有機半導体層から電荷が移動し蓄積されます。蓄積された電荷は、絶縁体ブロック層により電界印加を止めた後も流失せずにナノフローティングゲートに留まり不揮発性が実現されます。
　これまでに、金属ナノ粒子などを絶縁体薄膜中に分散させたものがナノフローティングゲートとして提案されています。メモリ性能は、ナノフローティングゲート構造に大きく影響されるため、成膜条件の選定や熱アニーリング、テンプレート法などによりブレンド膜中のナノ粒子の凝集を防ぎ、サイズや配置を調節する試みが必要です。そのため、高密度化や集積化が難しく、さらなるメモリの性能向上を阻んでいます。
　これに対し我々は、単一の高分子からなるナノフローティングゲート材料を開発しました【特許06362136号, Adv. Electron. Mater., 2, 1500300（2016）】。コアに金属フタロシアニン（MPc）分子を持つスターポリマーは、スピンコートによる成膜のみで、電荷蓄積部位であるMPcコアがポリマー中に孤立分散した構造を与えます。さらに、コア間密度をポリマーのアーム長を精密合成することにより調節することができ、高密度化も可能となります。

　人工知能（AI）やヒューマノイドロボットをはじめとする「フィジカルAI」の技術は、いま急速に進化しています。近い将来、私たちのすぐ隣で働いている存在が、人間と見分けがつかないほど高度なロボットになる――そんな未来も、決して遠いものではありません。
　一方、現在のロボットを構成する主要な部品の多くは、金属やシリコーンゴムなどの人工材料でつくられており、材料そのものが周囲の環境を認識し、自ら判断して、形状や硬さなどの性質を変えることはできません。
　自然界に目を向けると、タコは周囲の環境に応じて瞬時に体の形や色を変え、カメレオンも自在に体色を変化させます。生き物は、外部からの刺激を感じ取り、情報を処理し、自らの身体を変化させながら、環境に適応して生きています。
　私たちは、このような「自ら考え、自ら働く素材」の実現こそが、次世代のロボットやデバイスを生み出す重要な鍵になると考えています。そして、この新しい概念を「ケミカルAI」と位置づけています。 ケミカルAIでは、有機化学を基盤として、電気・機械工学との融合により、情報を感じ取り、判断し、自ら動くことのできる新しい機能材料を創製します。目指しているのは、単に「ロボットの部品となる材料」ではなく、生き物のように環境を感じ、自ら考え、形や機能を変えながら働く素材です。 私たちは、こうした「考えて働く素材」を通じて、これまでの材料科学の枠を超え、生命に学んだ新しいモノづくりを切り拓き、次世代のロボット・デバイス、そして豊かな社会の実現につなげることを目指しています。