NIMSなど、軽量かつ柔軟な運動センサにも利用可能な発電するゲル材料を開発

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物質・材料研究機構(NIMS)、北海道大学(北大)、明治薬科大学の3者は4月18日、多くの静電荷を内部に安定的に保持できるゲル材料「ゲル-エレクトレット」を開発したことを共同で発表した。

同成果は、NIMS ナノアーキテクトニクス材料研究センター フロンティア分子グループの竪山瑛人研修生(北大-NIMS連携大学院)、同・名倉和彦研究員、同・中西尚志グループリーダー、明治薬科大の中正道教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、独国化学会の刊行する機関学術誌の国際版「Angewandte Chemie International Edition」に掲載された。

これまで研究チームが開発を進めてきた「アルキル-π液体」は、光・電子機能を有するπ共役色素部位と、電気絶縁性を有し柔軟な分岐炭化水素(アルキル)鎖を組み合わせた、難揮発性の常温液体。さまざまな変形に追従できる流動性、塗布や浸透などの方法を活用した優れた成形加工性を示し、超高濃度に機能性色素部位を含有できることなどが特徴だ。

アルキル-π液体は、「コロナ帯電」によって注入された静電荷を液体内に安定に保持し、液状の「エレクトレット」(電界のない状態においても、素材の表面近傍に電荷を半永久的に保持できる荷電体材料のこと)として利用できることが見出されており、センサなどにも利用可能。

しかし、アルキル-π液体は流体であるため、液漏れや染み出しなど、電極素子作製時の固定化や封止に課題があったほか、より優れたセンサ素子の作製のため、帯電力をさらに向上させることも課題だったという。このような背景から、アルキル-π液体をゲル化することで、(1)弾性を高め、(2)難揮発性で、(3)大気中で長期間安定に取り扱え、(4)超高濃度に機能性色素部位を含有し、(5)帯電力に優れるという、これまでにない新規ゲル材料の創製に挑むことにしたという。

まずアルキル-πゲルの基本的な物性を解明するため、π共役色素の一種であるナフタレン分子に分岐アルキル鎖が導入された液体分子「アルキル-ナフタレン液体」についての詳細な検討が行われた。同液体に1重量％程度の微量な低分子ゲル化剤が加えられ、130℃に加熱して溶解させた後、室温に冷却することで、流動性を失ったゲルが作り出された。ゲル中には、ナノメートルスケールの微小な網目繊維構造が形成され、母材となる液体と比べて貯蔵弾性率が4000万倍にもなったとした。