千葉大ら,孔雀を模したフォトニック材料を作成

千葉大学の研究グループは,山階鳥類研究所との共同研究で,孔雀の羽の発色機構のもとになる微細構造とそれらを構築しているメラニンを,構造・素材ともに模倣し,構造色を基盤とするフォトニック材料を作製した(ニュースリリース)。

鳥の羽の構造色を発現する微細構造を構築する「メラニン」が形成する粒子状の微細構造に太陽の光などがあたると,構造由来の構造色が発現するとともにメラニン顆粒の黒色が散乱光を吸収し,結果として視認性の高い構造色が発現する。例えば,雄の孔雀の羽の発色は,柱状型のメラニン顆粒が形成する微細構造に由来する。

このように,メラニンを模倣したコロイド粒子を人工的に再現できれば,鮮やかで視認性の高い構造色の発現が期待できる。研究グループではこれまでに,メラニンの前駆体であるドーパの模倣物質「ドーパミン」を重合して得られる黒色の高分子「ポリドーパミン」を,大きさが均一な黒色コロイド粒子として得ることに成功している。

この粒子はメラニンとほぼ同じ組成の材料で,ポリドーパミン粒子のみを用いて構造色の発現が可能であることを初めて見出した。しかし,構成成分すべてをポリドーパミンで作製したコロイド粒子は黒色度が高すぎ,インクとして利用する際に重要な固体状態での発色が暗くなってしまう大きな課題があった。

この課題の解決,ならびにインクとしての実用化にむけて,研究では,「1種類」でかつ「黒色度が制御可能」なコロイド粒子を用いる視認性の高い構造色材料の開発を目標とした。

黒色度を制御した粒子を作製するために,汎用高分子であるポリスチレン粒子をコアとし,その周りをポリドーパミンで被覆したコア-シェル型粒子を作製した。ポリドーパミンシェル層の膜厚は,仕込みモノマー濃度により容易に制御可能であり,膜厚を変化させることで黒色度を自在に制御できることがわかった。

作製したコア-シェル型粒子を用いて構造色ペレットを作製したところ,コア粒子の大きさ(221~287nm)とポリドーパミンシェル層の厚み(0~20nm)を変えることで,ほぼすべての色を生み出すことに成功した。また,ポリドーパミンシェル層の厚みによって粒子表面の粗さが変わり,粒子の配列構造を制御できることを見出した。

この結果,見る角度により色が可変な「虹色構造色」と,色が変化しない「単色構造色」を容易に作り分けることも可能となった。構造色は色褪せせず,独特の光沢を有することから,この成果は,構造色を用いる次世代インク開発の基盤となる重要な研究成果だとしている。

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