京都工芸繊維大学 産学公連携推進センター

■研究の概要

　光学特性や電子特性を示すπ共役分子は、蛍光材料や有機半導体材料として有用な化合物であり、さらに、これらの機能性が分子同士の配向や会合状態に大きく左右されることが知られています。分子レベルでの配向や会合を精密に制御するために、本研究室では、π共役分子とポリマーの融合による機能性材料の開発を行っております。近年、多様な構造を持つポリマーの合成が可能となっており、適切な分子設計を行うことで、自己組織化に伴いナノメートルスケールの均一な構造体を簡便に構築することができます。この自己組織化とπ共役分子を融合することで、機能性の発現を外部刺激によってON／OFFすることができ、センサー材料やスイッチング材料への応用を検討しています。

■研究の概要

　分子末端に種々の反応性基が導入されたポリマーならびにオリゴマーは、多分岐構造の組織構造体、表面が多数のポリマーブラシで覆われたコア－シェル型ポリマー微粒子、各種の刺激応答性ポリマーの創製に有用であるのみならず、汎用有機材料の表面改質や化学変換による高付加価値化においても重要な役割を果たす化合物です。本研究では、高次の機能発現を指向した先端有機材料のビルディングブロックとして、分子内の所定の部位に目的の反応性基や機能基を導入し、さらに分子量や分子量分布が制御されたポリマーを精密合成するとともに、機能特性評価を行うことを目的としています。

■研究の概要

　高分子や両親媒性分子などのソフトマターは、構造制御の工夫により多種多様な物性を発現する新規材料として期待される物質です。高度な機能を有する高分子を効率的に開発するには、その機能発現を可能にする高次構造を制御することが必要です。そのため、高分子構造形成機構の解明と、それを応用した高次構造制御法の開発は非常に重要な課題です。また、両親媒性分子の自己会合機構の微視的理解は学術的に意義が大きいだけでなく、量子ドットの生体適合化や脂質二分子膜ベシクルによる新規ドラッグ・デリバリー・システムの構築など、応用技術的意義も大きいと考えられます。
　私たちは、ソフトマター系における構造形成機構を分子レベルで解明し新規材料の創出に寄与するため、高分子や両親媒性分子の分子シミュレーション研究に取り組んでいます。また、ソフトマター系における構造形成機構の解明を通して、様々な系に普遍的に存在する非線形法則を探求するという基礎科学研究も行っています。

■研究の概要

　マイクロプラスチックに代表される使用済みプラスチックがもたらす環境汚染が深刻視されています。この原因の一つとして、プラスチックの低いリサイクル性が挙げられています。ほとんどのプラスチックは、加熱して溶融成形されていますが、その際に高分子鎖の熱分解を伴うため、成形加工を繰り返すと物性が低下してしまいます。本シーズの高分子材料は、加熱ではなく加圧によって常温付近で成形加工が可能なため、高分子鎖の熱分解が生じません。よって、省エネルギー成形（CO₂排出低減）とリサイクル性の向上を同時に達成することができる全く新しい概念によって創成された高分子材料です。また、再生可能資源から合成することができ、生分解性を有しているため、環境負荷も低減可能な次世代の高分子材料です。

■研究の概要

　気体のように素早く高分子内部に浸透し、液体のように物質を運ぶことのできる超臨界流体を用いた高分子材料の加工の研究です。超臨界流体の中でも比較的温和な条件で超臨界状態になる二酸化炭素を利用しています。高分子材料は超臨界二酸化炭素中で柔らかくなり膨張するので、通常の溶媒では注入できない、あるいは少量しか注入できない機能剤を高分子表面や内部に多く注入することができます。この柔らかく膨らんだ材料は、超臨界二酸化炭素から取り出すことで、もとの状態に戻るため、注入された機能剤がしっかりと内部にトラップされ機能の耐久性が高くなります。注入時の条件、例えば二酸化炭素の圧力や温度を連続的に変化させることで傾斜材料の調製も可能です。機能剤としては低分子の化合物から、条件によっては分子量5000程度の高分子を注入することもできます。
　装置は単純で、オートクレーブのような高圧容器に液体クロマトグラフ用の送液ポンプと加熱システムを組み合わせたものになります。さらに、実験の目的に応じて攪拌システムや溶解槽、調圧バルブ、機能剤の連続注入システムなどを追加します。分析が必要な場合は、分光光度計やIRを組み込むことも可能です。

■研究の概要

　X線CTは被写体の内部を含む3次元画像を得る非破壊検査方法の一つです。近年、X線CTの空間分解能の向上は目覚ましく、顕微鏡の一種として使える程度になりました。従来、高分子試料はX線に対して透明で、X線CTには向かないと考えられていましたが、我々は高分子試料に最適な高コントラストX線CTの開発に成功しました。染色等の前処理を必要とせず、3ミクロンの空間分解能を達成しています。
　大変簡便な測定で、固体試料であれば、1時間以内に3次元画像が得られます。具体的には、観察に適するように試料を切り出し、測定ホルダにマウントするまで10分以内、撮影に30分、再構成処理に10分程度というスケジュールになります。

■研究の概要

　高分子物質は今日の現代社会を支える基盤材料の1つとして、大変重要な役割を担っています。高分子は分子構造を的確に制御することにより、精緻で多様な特性や機能を発揮できます。そのため、IT分野、エネルギー分野、生活・環境分野等さまざまな分野で高分子の活躍が益々期待されています。そこで反応性オリゴマーの化学を中心に、新構造高分子の設計と機能化、物質表面の制御と機能化、有機－無機複合材料開発について研究しています。

■研究の概要

■背景
・高分子材料は光・熱・機械的疲労によって容易に劣化するため（図1）、安定性向上の為には劣化反応経路の解明が不可欠です。
・劣化反応の中間体である短寿命ラジカル種を調べる手法としては、『スピントラップ法』が有用と考えられます（図2）。
・しかし、高分子材料などの固体系の試料でスピントラップ法を用いた研究例は、ほとんど報告されていません。
■目的
・スピントラップ法によって高分子材料の劣化反応の初期過程を明らかにするとともに、その有用性を検証し、実用的な可能性を探ります。
■内容
・高分子の熱劣化にともなって生成したラジカル種は、スピントラップ剤（MNP）によってトラップされ、比較的安定なラジカル種　（スピンアダクト）に変換され、ラジカル分子の分子構造や、それ自身の分子運動の速さによって異なる固有のESRスペクトルを示します（図2）。
・ポリブチレンテレフタレート（PBT）やポリオキシメチレン（POM）に、スピントラップ剤（MNP）を添加した試料を調製し、電子スピン共鳴（ESR）測定装置を用いて、サンプルを加熱しながらESRスペクトルを測定した例を図3に示します。
・ESRスペクトルを詳細にコンピュータ処理することで、スピンアダクトの分子構造を推測するとともに、各ラジカル濃度の経時変化を算出することができ、定性的かつ定量的な解析を行えます。
・解析結果をもとにPBTの熱劣化反応を考察することができました（図4）。
　・主鎖の－CH?－からH脱離が起きて－CH－が生じます。
　・－CH－はすぐにMNPにスピントラップされ、異方性を示すAI成分が観測されました（アニーリング初期）。
　・近傍のMNPが消費されると、次の主鎖β切断反応が優先的に起きて、アルデヒドとベンゾイルラジカルが生じます。
　・遠方のMNPによって鎖末端スピンアダクトが生じ、分子運動が比較的自由なため、hfcc≒0.8 mTの等方的なN成分が観測されました（アニーリング中期）。
■応用
・高分子材料の、熱的・光的・機械的な劣化の反応経路、材料としての寿命予測、曝されていた環境の履歴などを知ることができます。
■将来展望
・さまざまな材料に：高分子材料だけでなく、食品や生体組織なども対象に。
・より簡便に：スピントラップ剤入りの溶液を材料表面に塗布・乾燥するだけで、測定の準備が済ませられるように。
・より簡素な測定装置で：現在の数分の一の大きさ、卓上で測れる専用ESR装置が数百万円で購入できるように。