研究内容

協同現象を利用した新しい高分子光機能材料の創出

　池田研究室は，「高分子・液晶・光」をキーワードに，高機能・高性能材料の創成を目指しています。
　現在，有機分子１分子の機能・性能については計算機科学・AIの進歩により高精度で予測可能になりました。さらに合成化学の飛躍的な発展により，ありとあらゆる有機分子についてほぼ完全に合成できるようになりました。しかしながら，コンピューターで予測した分子構造に基づいて分子設計し，実際に合成してそれらの物性・機能を評価してみると，目的の物性・機能が得られない事例がほとんどです。すなわち，物質としての物性・機能は，１分子の物性・機能の線形の延長線上にはないことを示しています。物質は分子の集合体であり，物質中で分子がどのような配置・配向しているかが物質としての物性・機能を決める決定的な因子であることを明確に示しています。高性能素子を達成するためには素子中の機能分子の配向・配列が極めて重要であり，分子配向を精密に制御できれば素子性能は飛躍的に向上します。

　池田研究室では機能としては光に着目しており光機能材料に関する研究を行っています。学生の皆さんは，化合物の合成から材料作製・評価までを一貫して行うことにより，幅広い分野の知識・技術・考え方を身につけることができます。

　生物の体内にある高分子（ＤＮＡ・タンパク質など）は一本の鎖を構成する単位の配列が一義的に決まっており，高分子鎖の長さも一定です。筋肉などではこれらの高分子が会合し，集合体として力を発生しています。しかし，一本一本の鎖が無秩序な状態で会合すると大きな力は発生しません。一方，高分子鎖が規則的に会合すると，一本一本の鎖が発生する力の単純な和よりはるかに大きな力を発生します。ここに高機能・高性能高分子材料創出の秘密があります。

　(１) 一次構造（モノマーの配列）を精密に制御する
　(２) 高分子鎖の長さ（分子量）を正確に制御する
　(３) 固体内での高分子鎖の配向・配列を自在に制御する

　池田研究室では生物内に存在する高分子に匹敵する機能・性能を発現する高分子材料を創成するため，精密重合法を駆使して(１)(２)を満たす高分子を合成し，(３)を満たすための「精密分子配向制御法」の確立をめざしています。具体的には次の２つのアプローチを鋭意検討しています。

・高分子が自発的かつ規則的に配列する性質（自己組織化能）の付与
　自発的に配向する液晶分子を高分子に導入し，ナノスケールでの高分子の精密配向をめざします。

・外場を用いた配向制御
　外場の中でも非接触・遠隔操作が可能な光を用いた配向制御の手法を開拓します。

　光機能材料として現在以下の２つの材料の研究を行っています。

１．光運動材料

　液晶高分子に光応答分子を組み込んで架橋すると，架橋フォトクロミック液晶高分子が得られます。この高分子では光応答分子の光反応・液晶分子配向・高分子鎖形態（コンフォメーション）が強く相関しており，光照射によって光反応を誘起すると１分子レベルの変化が物質全体の形態変化に増幅・変換されます。すなわち，光エネルギーを直接仕事に変換できる高分子材料が実現しました。この高分子を使うと，バッテリーや発電装置を一切使わず，ギアなどの駆動装置も一切装備しないで，光照射のみで３次元運動をするプラスチックモーターやロボットアームも作製できます（下の動画）。光のエネルギーを直接運動へ変換するという人類の夢に一歩近づきました。

　【光運動材料の例】

光プラスチックモーター

光ロボットアーム

光尺取虫

　本研究室は理工学部応用化学科と連携し研究・教育を行っています。

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