OIST,応力を検出する発光性ポリマーを開発

沖縄科学技術大学院大学(OIST)の研究グループは,引っ張るほど強く光ることで材料にかかる応力を検出できる「スマート」ポリマーを開発した(ニュースリリース)。

このポリマーは,アクリル系塗料,接着剤,およびシーラントに使用される化学物質であるポリブチルアクリレートに銅原子と有機(炭素含有)分子が結合してできた銅錯体を組み込むことによって開発された。

この銅錯体は紫外線にさらされると発光する。ポリブチルアクリレート鎖に連結された銅錯体はより強く明るい光を発し,力が加わると構造が変化する化合物であるメカノフォアとして作用する。

これまで開発されてきたメカノフォアの多くは銅などの金属ではなく有機化合物から作られており,化学結合の弱い箇所が応力によって切断される時に色が変化したり発光したりする。しかし化学結合の切断メカニズムを利用するメカノフォアには,厳しい制約がある。

化学結合を切断するには比較的大きな力が必要なため,メカノフォアは小さい応力には敏感ではない。また,結合を切断するプロセスは不可逆的であることが多く,これらの応力センサは一度しか使用できない。これに対し,今回開発された銅メカノフォアははるかに小さな応力に対して敏感で,迅速かつ可逆的に反応することができる。

グループが研究している銅錯体は非常に動的で,形状が連続的に歪むことがわかった。サイズが大きい銅錯体は柔軟性が低下し,より明るい光を放つ。これは,低い柔軟性で分子の運動が制限され,熱としてのエネルギー損失が小さくなり,発光効率が上がるためであると考えられるという。

そして,この銅錯体の柔軟性と明るさの関係を利用して応力検出ポリマーを開発した。銅錯体が架橋としてポリマー中に取り込まれると,ポリマーを延伸させる作用によって分子の柔軟性が低下する。これにより,銅錯体はより効率的に強く発光する。

研究グループはこの研究を続けることで,わずかな応力変化を感知するアクリルポリマーの塗料を作ることができるようになると考えている。また橋や自動車や航空機のフレームのような様々な構造物のコーティングとして利用できればその価値は大きくなるとしている。

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