理研,99%以上水の動的フォトニック構造体を開発

理化学研究所(理研),東京大学,物質・材料研究機構(NIMS)らの共同研究グループは,水に分散した微量の酸化チタンナノシートを数百nmの周期で規則配列させることにより,99%以上が水からなるにも関わらず鮮やかな色を呈し,環境の変化に応じて瞬時に色を変える新材料を開発した(ニュースリリース)。

可視光波長と同程度(数百nm)の周期構造を持つ材料は,周期長に対応した波長の光を選択的に反射し,色素を持たずとも鮮やかな色を呈する。このような構造体を「フォトニック構造体」と呼び,こうした色を「構造色」という。

フォトニック構造体は,光の取り出し・閉じ込め・伝搬制御など,光を自在に操るための究極のツールとして期待されている。

フォトニック構造体に必要な長周期の高秩序構造を作る上で,通常は無機結晶や有機ポリマーなどの固体材料が使われる。

もし流動的な物質を使ってフォトニック構造体を構築できれば,環境や刺激に応じた動的な光の制御が可能となり,フォトニック構造体の用途は飛躍的に拡がる。しかし,秩序性と流動性とは相反するものであり,流動的な物質を使ったフォトニック構造体の構築は極めて困難だった。

研究グループは,水に対して1%未満の微量な酸化チタンナノシートを水中に分散した後,ナノシート間に働く静電反発力を極限まで高めることで,分散液中のナノシートが長周期で規則正しく配列され鮮やかな構造色を示すことを見出した。

この分散液は秩序性と流動性を兼ね備えた「動的フォトニック構造体」であり,温度・pH・磁場などの環境の変化に応答し,ナノシートの距離や角度を変えることができる。これに伴い,分散液の構造色は,全可視光領域にわたり瞬時に変化する。

今回開発された,酸化チタンナノシートの水分散液からなる「動的フォトニック構造体」は,極限まで高められたナノシート間の静電反発力を利用することで,秩序性と流動性という,相反する性質を両立させている。この成果は,ランダムに配向した粒子を主に対象としてきた従来のコロイド科学に対し,大きな影響を与える。

また,静電反発力を使って構成ユニットを長周期の秩序構造へと組み上げる概念は,今後のボトムアップナノテクノロジー,例えばメタマテリアルの開発などに対し,新たな指針を与える。また,このような動的フォトニック構造体には,光学検知式センサーやフルカラー電子ペーパー,可変フォトニックレーザーといったさまざまな応用が期待できるとしている。

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