画像ストレッチ：固体バイオベースポリエステルフィルム

「光度膨張」の現象は、乾燥状態でのガラス転移温度が高い硬質プラスチックフィルムで発生しました。これは、プラスチックやゲルなどの非常に柔らかいアクチュエータとは根本的に異なります。 固体光学膨張アクチュエータは、溶剤などの蒸発性物質を含まず、従来よりも耐熱性に優れているため、幅広い分野での応用が期待されていました。

石川、2021年4月22日 光によってその機能を発揮するポリマーは、デバイスの小型化、エネルギー節約、および正確な信号制御を可能にするため、何十年にもわたって研究されてきました。 アゾベンゼンやデアレテンなどをベースにしたポリマーが先駆者であり、光駆動モーターや人工筋肉の例が数多く報告されています。 一方、天然木に含まれるリグニンの成分である桂皮酸も紫外線（UV）で機能を発揮するため、ポリマーに応用されています。 これらの桂皮酸ベースのポリマーの変形メカニズムは、CIS全体での二重結合異性化の2つの反応と [2+2] 環状付加はほぼ同時に起こります。 メカニズムが解明されていないため、光合成材料としての使用は、前述のアゾベンゼンやジアリールエテンほど注目されていません。

これらの問題に対処するために、北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）の研究者チームが、生合成ベースのポリセナメートフィルムの光触媒メカニズムを調査しています。 彼らの最新の研究は ACSのアプライドマテリアルズとファサード、神子達教授、高田健二准教授、村田英幸教授、沖吉浩介准教授、アミット・クマール研究助教授も参加しました。

この研究では、ケイ皮酸塩の芳香族化合物のヒドロキシル基が置換されたクマールに基づいてポリエステルを合成しました。 その中で、光合成に対する感受性を示したのは、ポリ（3-ヒドロキシ桂皮酸）（P3HCA）とポリ（3,4-デヒドロキシ桂皮酸）（PdHCA）でした。 両方のフィルムに桂皮酸ユニットが含まれていましたが、P3HCAはUV光源に対して凸状の変形を示し、PdHCAはそれぞれ凹状の変形を示しました。 これらの違いは、さまざまなスペクトル分析によって分析されました。 まず、蛍光寿命を測定したところ、P3HCAには2つの励起状態があることがわかりました。 次に、時間分解赤外（IR）分光法により、シンナメート単位の二重結合吸収を、UV照射中のIRスペクトルの変化から追跡しました。 P3HCAの場合、UV照射時間を長くすることにより、形成されたCIS結合の吸光度（CH = CH）が増加することが確認されました。 一方、PdHCAでは、形成されたcis -CH = CH-の取り込みに変化は見られませんでした。 これらの光学的膨張を実証するために、P3HCAフィルムを光エピレーターで覆い、上から紫外線を照射する実験を行いました。 自立型フィルムにフォトマスクを介して紫外線を照射すると、照射されていない表面にも変形が見られた。 したがって、ガラス基板上にコーティングされたＰ３ＨＣＡフィルムを照射して実験を行ったところ、表面、反対側、ＵＶ照射の変形はなく、フォトマスクで覆われた部分の歪みは観察されなかった。 以上の結果から、P3HCAはシス異性によるUV照射に対して「延伸」により凸状変形を示すことがわかった。

UV光に関する歪みを制御できるバイオマスベースの例は他にありません。 また、本研究を通じてポリシンナメートの変形メカニズムを解明することにより、緻密な高分子の設計により、光受容体感受性の正確な制御が期待できます。 金子教授が説明するように、光学歪みに対する感受性は分子の「形状」によって異なるという事実は次のとおりです。 「それらは同じ成分ですが、変形挙動は異なっていました。これらの結果は、シナモンベースのポリマーの組成と物理的特性との関連を強く支持しており、この研究はバイオベースおよび光応答性ポリマーの良い展望になります。」 また、分子設計に基づく新素材の開発にも大きく貢献することが期待されているとのことです。

光合成材料としての生合成ベースのポリセナメートのさらなる進歩により、より正確に制御されたオペレーターと持続可能なコミュニティに私たちが近づくことが期待されています。

###

参照

原著論文のタイトル：「バイオメトリクスベースのポリエステルの光起電力膨張：固体多形アモルファスフィルムのタイムカット測定によるメカニズム分析」

マガジン： ACSのアプライドマテリアルズとファサード （アメリカスポーツ協会の出版物）

DOI：10.1021 / acsami.0c22922

北陸先端科学技術大学院大学について

1990年に石川県に設立された北陸先端科学技術大学院（JAIST）は、日本で最初の独立した国立大学院でした。 30年の着実な進歩を経て、JAISTは日本で最高の大学の1つになりました。 JAISTは、多くの提携大学に依存しており、多様性が鍵となる最新の教育システムで有能なリーダーの育成に努めています。 卒業生の約40％が留学生です。 大学は、学生が最先端の研究を行うための確固たる基盤を確実に持つように、慎重に設計されたコース指向のアプローチに基づいた大学院教育への独自のアプローチを持っています。 また、JAISTは産学連携研究を推進することで、国内外のコミュニティと緊密に連携しています。

北陸先端科学技術大学院大学の金子達教授と高田健二准教授について

金子達夫は1993年に東京テクノロジーの学士号を取得し、博士号を取得しました。 1998年に同大学で高分子化学の博士号を取得。博士号を取得する1年前に北海道大学の助教授として同大学に入学し、鹿児島大学と大阪大学に転校。 その後、JAISTに入社し、2016年に正教授に昇進しました。また、2012年にティモシーデミング教授の入学により、UCLAに客員助教として入社しました。現在の研究対象は、軟質材料、電解質、生物プラスチックなどです。日本化学協会およびいくつかの機関からの賞。 また、第251回ACS全国大会での「ベストプレゼンテーション」、第12回IUPACNMS-XIIセッションでの「優秀賞」、「ゴットフリードワーゲナー賞」などの国際賞を受賞し、第9回ドイツイノベーション賞も受賞しました。

高田健治は2011年に北海道大学で学士号と博士号を取得しました。 彼は2015年に同じ大学で高分子化学の博士号を取得しました。その後、若い科学者DC1およびPDのJSPSの研究員として研究者および医師に任命されました。 2021年に助教としてJAISTに入社。 彼の研究対象は、ビニルモノマーのアニオン重合またはラジカル重合です。 また、生体分子ベースのプラスチック、高性能ポリマー、および光起電機能を備えた材料についても研究しています。

資金調達情報

この研究は、JST-ALCAプログラム（助成金番号JPMJAL1010）によってサポートされました。