分子メカトロニクスグループ

アクティブソフトマテリアル (外部刺激応答性) の開発とデバイス応用 (ソフトロボット・触覚用アクチュエータおよびセンサー)

2023.04.01 更新

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アクティブソフトマテリアルのうち、電場などの外部刺激に応答して変形を生じる材料はアクチュエータとしての利用が期待でき、外部刺激に応答して電圧や電流、インピーダンス変化を生じる材料はセンサーとしての活用が期待される。分子メカトロニクスグループでは、液晶、ブロック共重合体、パイ共役系高分子、金属有機構造体 (MOF) 、共有結合性有機構造体 (COF) 、天然多糖類ハイブリッドを対象とした分子自己組織化、ナノからセンチメートルスケールの階層的秩序構造と配向の制御により、イオンや電子の伝導性や力学特性がダイナミックに変化する新規ソフトマテリアルの開発を進めています。

これらの有機高分子材料を基盤として、電界によって屈曲・伸縮運動を示すソフトアクチュエータ、強誘電性・エレクトレット形成・分子集合体の動的構造変化を活用したフレキシブルな圧電・力学センサー素子、硬さが自在に変わる材料などの開発を推進します。バーチャル・リアリティーに資する触覚伝達機器、ロボット用皮膚、生物模倣の移動体などの次世代スマートデバイスの構築につながる新しい技術と学理を構築することで社会への貢献を目指します。

液晶性イオン伝導材料の開発と機能性膜・素子への応用

イオン伝導路の次元制御とマクロスケール配向
液晶場光重合によるナノ構造固定化高分子フィルム作製
イオン伝導型アクチュエータの創製
逆浸透膜、ウイルス分離膜、色素吸着膜、リチウムイオン電池電解質への応用

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が、ソフトアクチュエータ、燃料電池やリチウムイオン電池、水処理膜の高性能化のために必要な研究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、表面処理や電場や光などの外部刺激に対して応答性を示す液晶の特性を活用して、高速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成し得ない、一次元や二次元の異方的イオン伝導パスの構築、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用いたイオン伝導方向のスイッチングが可能となります。また、液晶場での光重合を活用することで、液晶ナノ構造と配向が固定化され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。

特に、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によるイオン伝導路の次元制御に着目して、一次元イオンチャンネル (図1) や三次元的に連結したイオン伝導パス (図2) を形成した液晶高分子アクチュエータの開発および決まったサイズのナノ細孔が連続した水処理膜の開発 (図3) を展開しています。

図1. 一次元イオンチャンネルを形成した液晶高分子膜アクチュエータ

図2. 三次元イオンチャンネルを形成した液晶高分子膜アクチュエータ

図3. 二次元リチウムイオン伝導パスを形成した液晶と高分子からなるミクロ相分離構造を有する不燃性自立膜による80Hz高速振動アクチュエータ、限外濾過による三次元多孔ポリマー構造の実証実験

図4. 重合性双性イオン分子とプロトン性イオン液体のカラムナー液晶自己組織化、光重合によるプロトン伝導液晶高分子膜の構築

電気活性なパイ共役液晶・ブロックコポリマーの開発と素子化

メカノクロミック発光材料の設計
強誘電性と半導体特性を融合した有機材料の構築
レドックス活性分子機械の設計とアクチュエータ応用
不揮発性メモリ機能の有機トランジスタ、圧電素子の作製

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電気的・光学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・熱刺激に応答して多色発光を示すパイ共役液晶材料 (図5) 、強誘電性と半導体特性を兼ね備えたパイ共役液晶材料 (図6) の開発を行っています。また、金属配位フタロシアニンをコアとした星型高分子をデザインし、エレクトレット形成に起因したメモリ機能を備えた新しいタイプの有機薄膜トランジスタなどの開発も進めています (図7) 。

図5. メカノクロミック発光性液晶

図6. バルク光起電力効果を示す強誘電性π共役液晶

図7. メモリ機能を示す有機薄膜トランジスタ

自己組織性金属有機かご型分子の合成と機能化

・かごナノ空間における電子・イオン輸送
・自己修復や形状記憶などの外部刺激応答機能

金属有機多面体によって形成されるナノ空間は、特異な反応場や電子・イオン輸送場として魅力的です。我々は、独自に設計した有機配位子と金属イオンとの反応によってチューブ状や球状などの分子形状をもつ新規かご型分子の開発を行っています。これらの自己集合と配向を制御してナノ空間での高速な電子・イオン輸送を実現し、ガスなどの化学的刺激や力学的な刺激に応答する新しいナノワイヤー・スイッチ、アクチュエータ素子としての応用を開拓します (図6) 。また、動的共有結合などを取り入れて、かご型分子からなる三次元的な動的ネットワーク構造を構築することにより、自己修復 (図7) や形状記憶などの外部刺激応答機能の創出を目指します。