Functionalization of hard polyrotaxane materials facilitated by in-situ structural analysis and control of the dynamics

原位结构分析和动力学控制促进硬聚轮烷材料的功能化

• 批准号: 20H02794
• 负责人: 加藤 和明
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02794/
• 关键词: ポリロタキサンガラス; その場観察; 力学物性; ダイナミクス; 破壊プロセス; シクロデキストリン; 機械的結合; 気体分離膜; 分子運動性; バルジ試験; エックス線散乱; 接着界面; 放射光X線ナノビーム; 構造物性相関; 接着; ホスト－ゲスト相互作用; 副分散; 薄膜化; 包接率; X線回折; 分子配向; 分子設計; 環状分子プローブ; 粘弾性緩和; ポリロタキサン; 界面; 放射光X線; 分離膜

放射光を用いたX線ナノビームによる界面の構造解析により、金属基板界面におけるポリロタキサンガラスの局所的なひずみと分子配向の深さ依存性を明らかにした。接着力の異なるポリロタキサンガラスを比較したところ、接着力の高いポリロタキサンガラスの場合、界面から20マイクロメートル以内にひずみが集中していることが明らかになった。一方で接着力が弱い場合、界面近傍でのひずみの集中は見られず、界面からかなり離れた領域までひずみが分散していた。接着力が高い場合に見られた界面近傍のひずみを詳しく解析したところ、界面から7マイクロメートル付近に最も大きなひずみの集中が見られたが、印加する応力が大きくなるにつれてひずみが集中する領域が次第に広がっていく様子が観測された。一方、分子の配向についてはほとんど観測されなかった。バルク材料の延伸ではネッキングに伴い、相分離と分子の配向が起こるが、界面ではひずみが拘束されているためであると考えられる。こうして、ポリロタキサンガラスの主成分であるシクロデキストリン誘導体特有のX線散乱をプローブにした新たな構造解析法を用いることで、金属基板に埋もれた接着界面の構造解析を実現し、局所ひずみの非局在化と接着力との関係を示した。また、ポリロタキサン薄膜の気体分離メカニズムの解明に向けて、バルジ試験下での偏光光速度カメラを用いた同時測定を行った。その結果、既存の高分子ガラスでは見られない複雑な分子配向が、特にバルジ中心付近で見られることが明らかとなった。バルジ中心では薄膜が等二軸延伸を受けていると考えられるため、多軸応力下でのポリロタキサンガラス特有の現象が示唆された。そこで、放射光X線マイクロビームを用いて、バルジ中心の構造解析行った。X線ダメージにより連続的な照射ができなかったものの、様々な化学構造を有するポリロタキサンガラスの散乱データの取得に成功した。

使用X射线纳米梁对界面的结构分析使用同步辐射揭示了局部应变的深度依赖性和在金属底物界面上的多罗托烷玻璃的分子方向。当比较具有不同粘附强度的辣萝卜烷玻璃时，发现应变集中在20微米内的螺纹杆菌玻璃的20微米内，具有高粘附强度。另一方面，当粘附较弱时，在界面附近未观察到应变浓度，并且应变分散到离界面很远的区域。对界面附近的应变进行了详细分析，该分析在粘附较高时观察到，这表明从界面的7微米附近发现了最大的应变浓度，但是随着施加的应力的增加，菌株浓缩的区域逐渐扩展。另一方面，几乎没有观察到分子取向。散装材料的拉伸导致相位分离和分子取向由于颈部而发生，但这被认为是因为应变在界面处受到约束。因此，通过使用一种新的结构分析方法，使用X射线散射对环糊精衍生物独有的X射线散射，Polyrotaxane玻璃的主要成分作为探针，对埋在金属底物中的粘合剂界面的结构分析已实现，这表明局部应变和粘附强度的离域之间的关系。此外，为了阐明脊髓苯烷薄膜的气体分离机理，在凸起测试下使用极化光速摄像机同时进行了测量。结果，已经揭示了在隆起中心附近特别可见的现有聚合物玻璃中未见的复杂分子取向。由于认为薄膜在隆起中心受到等疗伸展的影响，因此建议在多轴应力下使用多罗托沙烷玻璃的现象。因此，使用Synchrotron X射线微束进行凸起中心的结构分析。尽管由于X射线损伤而无法连续辐射，但成功获得了具有各种化学结构的polyrotaxane玻璃的散射数据。

项目成果

環状分子プローブとＸ線ナノビームを用いた金属－高分子接着界面の構造解析

使用圆形分子探针和 X 射线纳米束分析金属-聚合物粘合界面的结构

• 发表时间: 2021
• 作者: 加藤和明;劉謙一郎;竹島歩;伊藤耕三;内藤昌信;星野大樹
• 通讯作者: 星野大樹

Tough Glass with Mechanical Bonding Network Anchored by High-Mobility Polymers

具有由高迁移率聚合物锚定的机械粘合网络的坚韧玻璃

• DOI: 10.1021/acs.macromol.2c02363
• 发表时间: 2023
• 期刊: Macromolecules
• 影响因子: 5.5
• 作者: Kato Kazuaki;Taniguchi Masayuki;Ito Kohzo
• 通讯作者: Ito Kohzo

バイオベースプラスチックとしてのシクロデキストリンの可能性

环糊精作为生物基塑料的潜力

• 发表时间: 2022
• 作者: 加藤和明;伊藤耕三;星野大樹
• 通讯作者: 星野大樹

Direct enhancement of intercomponent interactions in polyrotaxane and its pronounced effects on glass state properties

聚轮烷中组分间相互作用的直接增强及其对玻璃态性能的显着影响

• DOI: 10.1039/d1cc05516j
• 发表时间: 2021
• 期刊: Chemical Communications
• 影响因子: 4.9
• 作者: Kato Kazuaki;Mizusawa Tomoki;Ohara Akihiro;Ito Kohzo
• 通讯作者: Ito Kohzo

Analysis of High-Molecular-Weight Polyrotaxanes by MALDI-TOF-MS Using 3-Aminoquinoline-Based Ionic Liquid Matrix

使用 3-氨基喹啉基离子液体基质通过 MALDI-TOF-MS 分析高分子量聚轮烷

• DOI: 10.1021/jasms.9b00084
• 发表时间: 2020
• 期刊: Journal of the American Society for Mass Spectrometry
• 影响因子: 3.2
• 作者: Yuzo Yamazaki;Shuuichi Nakaya;Kohzo Ito;Kazuaki Kato
• 通讯作者: Kazuaki Kato