伸びて輝け：光る新素材を開発
応力センサーは、強い力学的応力を受ける材料の頑健性を評価する際の重要なツールです。この度OIST研究員らは、組み込まれた材料に強い力学的応力がかかると発光強度が変化する新タイプのセンサー分子をAdvanced Materials誌に発表しました。
機械的な力に反応して発光や色が変化する、メカノフォアと呼ばれる分子は新しいものではありませんが、既存のものは一回しか使用できません。典型的な例として、圧縮、ねじり、引っ張りのような強い応力がかかると、特定の化学結合が壊れるか、あるいはセンサー内のふたつの分子が両方向に引っ張られて不可逆的に凝集構造が変わり、それに伴ってメカノフォアから発せられる光の色が変化するものがあります。これまでは、応力に反応して分子の構造が変わった後、元の状態に戻すのが非常に困難でした。メカノフォアは、あるアイテムや材料の力学的特性を理解するのに有益ですが、力学的応力に何度も晒される場合は、問題があったのです。
この問題を克服するため、錯体化学・触媒ユニットのギオルギ・フィロネンコ博士とジュリア・クスヌディノワ准教授は、時間が経過しても、しかも力学的応力が何度も加えられても、素材の特質を保持する光輝性メカノフォアを作製しました。研究者らは、マットレスやクッション、ゴムボート、車のインテリア、木工用ボンドやスパンデックス繊維に至るまで幅広く使われている、ポリウレタンと呼ばれる一般的なポリマー素材に、応力センサーとなる分子を組込みました。
その後研究者らは、応力をさらに増すことでこの材料を延伸させ、その引っ張り応力に伴い素材が紫外線下でさらに明るく輝くという研究結果を得ました。この反応は何十万分の一秒で起こり、この間、光輝性密度は最大二倍にもなるのです。力学的牽引力が止まると、ポリマー材料とメカノフォアは、光輝度の値も減少させながら元の位置に戻ります。力学的応力を何度も受けることができるという点で、この性質は決定的に重要です。
この新たなメカノフォアは、ギオルギ・フィロネンコ博士とジュリア・クスヌディノワ准教授が最近の論文で発表した光輝性化合物です。非常にシンプルな構造であるにもかかわらず、この化合物は物理的な環境に非常によく反応し、紫外線下でも色の変化が裸眼で見えます。これらの分子は、ポリマーの分子骨格に直接組み込まれています。
ポリマーにおけるメカノフォア分子の高い可動性は、センサーとしての性能にとって鍵となることがわかりました。メカノフォアは、応力のかかっていない普通の状態で素早く動き、これらの分子の動きがメカノフォアの発光を妨げたため、光輝度はあまり高くありませんでした。しかし、力学的応力に効率的に材料を晒すことでポリマー鎖の動きを遅くさせ、メカノフォアをより効率的に発光させることができました。
「私たちが作製した素材では、引っ張り応力のような基本的で非常に小さな力であっても、柔軟性のある材料構造が、離れた分子レベルにまで微少な変化を効率的にもたらせることを示しています。」と、フィロネンコ博士は説明しています。
