早大ら,光で有機結晶が超弾性変形する機構を解明

早稲田大学,茨城大学,芝浦工業大学の研究グループは,光によって光異性化と相転移という2つの現象を発現するサリチリデンアミン結晶のねじれ変形を観察およびシミュレーションし,光で超弾性変形が起きることを初めて見出した(ニュースリリース)。

有機結晶に力を加えると超弾性変形という特殊な変形が誘起される場合があり,有機結晶における新しい力学応答として注目を集めている。

研究グループは,光によって起こる特異な相転移現象を「光トリガー相転移」と名付けており,光トリガー相転移によってサリチリデンアミン結晶がねじれを伴った複雑な変形挙動を示すことが分かっていた。しかし,変形挙動が複雑であるため定量的な変形の評価や変形機構の詳細理解には至っていなかった。

今回,サリチリデンアミン結晶のねじれ変形を解析し,変形機構を詳細に解明することを目指した。顕微鏡で結晶の先端方向から変形挙動を観察することで,変形を「ねじれ角」と「変位」に分解して評価した。ねじれ変形の発生機構を理解するために変形シミュレーションを行ない,光照射後1秒以内に起こる素早いねじれ変形をシミュレーションで再現することができた。

また,変形自体は光照射下で5~10秒で定常状態となり,光照射を止めると約2分で元の形状に戻るという繰り返し性がある。用いた光は波長365nmの紫外光であり,この波長の光でサリチリデンアミン結晶の光異性化反応が起きることが分かっている。変形シミュレーションおよび顕微鏡での相界面の観察により,光トリガー相転移によってサリチリデンアミン結晶で超弾性変形が起きることが明らかになった。

また,結晶中では光異性化反応によって発生する応力と,相界面によって発生する応力がある。このうち,相界面による応力が結晶構造の動的挙動に大きく影響していることがX線回折を利用した解析により明らかになった。

力を加えることで超弾性変形が誘起されることはこれまで知られていたが,今回,サリチリデンアミン結晶では光によって超弾性変形が発生することが分かった。これは,ひとつの結晶でねじれ変形と超弾性変形が起きるという特異な光応答現象と言うことができる。

研究グループは,このような光応答性結晶材料により,光によって操作できるセンシングやスイッチング,メモリ,アクチュエータの開発につながる可能性があるとしている。

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