界面光反応を作動原理とする高速光屈曲液晶高分子フィルム

以界面光反应为工作原理的高速光弯曲液晶聚合物薄膜

基本信息

批准号：
17029018
负责人：
池田富樹
金额：
$ 3.07万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

近年,光エネルギーを直接力学エネルギーへと変換できるフォトメカニカル効果が注目を集めている。架橋アゾベンゼン液晶高分子フィルムに紫外光を照射すると,フィルムは光源に向かって屈曲し,可視光を照射するとフィルムは元の平坦な状態へと戻る。このフィルムの光屈曲は,紫外光照射によりフィルム表層においてアゾベンゼンのトランス-シス異性化に伴う配向秩序度の低下が誘起され,表面層でのみ収縮が引き起こされる結果生じると考えられている。本研究では,アゾベンゼン液晶高分子フィルムの界面光反応を基盤として,光エネルギーを力学エネルギーに効率良く変換できる光屈曲材料の開発を目的とし,ネマチック相よりも高次の配向を有するスメクチック相,強誘電相,反強誘電相などさまざまな液晶相を発現する新しい液晶モノマーを設計・合成した。液晶モノマーと架橋剤を混合し,光重合することにより作製した架橋アゾベンゼン液晶高分子フィルムは,室温付近にガラス転移点を示し,室温において紫外光を照射すると,フィルムは光源に向かって屈曲し,可視光を照射すると,初期状態に戻った。さらに,室温においても強度280mW/cm^2の紫外光照射によって約500ミリ秒で屈曲を誘起できることが分かった。重合条件を変えることにより,配向状態の異なる架橋アゾベンゼン液晶高分子フィルムを作製し,屈曲挙動と配向状態の関係を調べた結果,高次の配向を有する架橋アゾベンゼン液晶高分子フィルムの方が,屈曲をより高速に誘起できることが分かった。また,フィルムの屈曲する方向は,メソゲンの配向方向に依存していることが明らかとなった。光照射により発生するフィルムの収縮力を評価したところ,収縮力は室温,照射光強度3.5mW/cm^2において200kPaを示し,架橋アゾベンゼン液晶高分子フィルムが人工筋肉・アクチュエーターとして有望であることが示唆された。

近年来，能够直接将光能转化为机械能的光机械效应引起了人们的关注。当交联偶氮苯液晶聚合物膜受到紫外线照射时，膜向光源弯曲，而当照射可见光时，膜恢复到原来的平坦状态。认为膜的这种光弯曲是由于紫外线照射引起的，紫外线照射导致膜表层偶氮苯的反式-顺式异构化导致取向顺序降低，仅在表层引起收缩。在这项研究中，我们的目标是开发一种基于偶氮苯液晶聚合物薄膜的界面光反应的光弯曲材料，该材料可以有效地将光能转化为机械能。我们设计并合成了具有各种液晶相（例如介电质）的新型液晶单体。相和反铁电相。通过将液晶单体和交联剂混合并光聚合而制备的交联偶氮苯液晶聚合物膜，其在室温附近表现出玻璃化转变点，并且当在室温下用紫外光照射时，该膜向光弯曲当暴露在可见光下时，它恢复到初始状态。此外，研究发现，即使在室温下，强度为280 mW/cm^2的紫外光照射也能在约500毫秒内引起弯曲。通过改变聚合条件，制备了不同取向态的交联偶氮苯液晶聚合物薄膜，并研究了弯曲行为与取向态之间的关系，结果表明，交联偶氮苯液晶聚合物薄膜表现出更高的取向性。发现能够更快地诱导更好的弯曲行为。还揭示了膜弯曲的方向取决于介晶的取向方向。当评估光照射产生的薄膜的收缩力时，在室温和照射光强度为3.5 mW/cm^2的情况下，收缩力为200 kPa，表明交联偶氮苯液晶聚合物薄膜有希望作为建议使用人造肌肉/执行器。