静岡大ら,光を消すと結晶がジャンプする現象を発見

静岡大学,高知工科大学,東京科学大学は,新規結晶アクチュエータの開発に成功した(ニュースリリース)。

有機分子からなる結晶は,もろく壊れやすいと認識されてきた。しかし近年,温度や光,力などの外部刺激によって結晶が曲がったり割れたり飛んだりする特殊な現象が相次いで報告され,注目を集めている。

中でも,加熱によって結晶が飛び跳ねる現象は「サーモサリエント効果」,光照射によって結晶が飛ぶ・砕ける現象は「フォトサリエント効果」と呼ばれている。これは結晶内部で分子の配列の変化が起き,その歪みやエネルギー放出によって結晶が動くものと考えられる。

こうした刺激応答機能は,将来的な材料への応用の可能性から盛んに研究が行なわれてきた。研究グループは,未知の機能を引き出す手段として「複数の刺激を同時に使う」ことに着目し研究を進めた。

研究では,有機色素分子1からなる結晶を材料として実験を行なった。1を再結晶すると常温で安定な結晶1Aが得られる。1Aを加熱すると高温でのみ存在する1Xという相に相転移することが分かっている。通常,1Aから1Xへの相転移(結晶構造の変化)は約160℃で起こり,冷却過程では約130℃で1Aが回復する。

しかし,紫外光照射などの第二の刺激を加えることで,この相転移温度を10~30 ℃程度下げることに成功した。つまり,光を当てながら温度変化させることで,より低い温度で結晶内部の構造変化を誘発できる。

この手法を用いて結晶を制御した結果,紫外光を照射した状態で加熱した結晶から光を遮断すると,タイミングを合わせたように結晶が小さく飛び跳ねる現象(ライトオフ・サリエント効果)を確認した。これは光と熱という二つの刺激を組み合わせた場合にのみ実現する特殊な力学的応答だとする。

温度変化を利用せず光照射をオフにしても見られなかった挙動であり,まさに温度変化との相乗効果によって生じた新機能だとする。研究グループは,このような光を消すタイミングで起こる結晶ジャンプ現象を世界で初めて実現し,そのメカニズムを明らかにした。

この成果は,刺激に応答して形が変わったり動いたりする次世代のスマート材料の開発につながる可能性がある。例えば,温度や光など環境の変化によって自律的に駆動するマイクロアクチュエーター(微小な作動器)への応用や,将来的には人工筋肉のように外部刺激で動作するデバイス,環境に合わせて形状を変える柔軟な構造材料などへの展開が期待できるとしている。

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