研究成果 · トピックス

「こんなものがあったらいいな」を実現するソフトマテリアル

世界はさまざまな物質であふれている

   硬かったり軟らかかったり、伸びたり縮んだり、表面がツルツルだったりザラザラだったり････この世界には、実にさまざまな性質を示す物質が存在していて、それらが私たちの生活を便利にしています。そのうち、金属やセラミックスのように硬いものを“ハードマテリアル”、それ以外の割と軟らかいものを“ソフトマテリアル”と呼んでいます。
   「このゴムも繊維も紙もプラスチックも、みんなソフトマテリアルです。その多くは、小さな分子がたくさんつながったポリマー（高分子）からできていて、エチレン分子がつながったものをポリエチレン、スチレン分子がつながったものをポリスチレンと呼ぶんです」と話すのは、九州大学先導物質化学研究所主幹教授の高原淳さん。ソフトマテリアルについて解説するとき、高原さんはいつも、道具箱の中からいろいろなものを取り出して見せているそうです。
   軟らかいことが特徴のソフトマテリアルですが、同じように見えるプラスチック製のコップでも、湯を入れられるものと入れられないものがあるように、物質によってそれぞれ特有の性質をもっています。高原さんは、この特有の性質は物質の分子レベルの微細構造によって決まっていると考えており、特に「表面の微細構造と表面の性質にどのような関係があるのか」を探る研究を進めています。そして、明らかになった微細構造を材料の分子レベルからの設計に応用して新しいソフトマテリアルをつくり出そうとしているのです。

水をはじくってどういうこと？

    撥水（はっすい）性（水をはじく性質）と聞いて、テフロン加工®のフライパンや、ハスの葉の表面を水が玉になって転がる様子を思い出す人は多いことでしょう。で は、どうしてこれらの表面は、水をはじくのでしょうか。
   2003年頃、ある企業から高原さんのもとに、「ポリフルオロアルキルアクリレート（PFACy：yは枝のフルオロアルキル基の炭素の数）が、どうして水をはじくのか調べてほしい」という依頼がありました。撥水用のコーティング剤として広く使われているPFA-Cyは、炭素原子でできた長い主鎖から、フッ素原子を含む側鎖がいくつも伸びた構造をしています。
   「現在知られている物質の中でもっとも撥水性が高いのは、トリフルオロメチル基（-CF3）なんです。PFA-Cyは、その末端にある-CF3までの間に炭素原子がいくつあるかで、撥水性の程度が変わってきます」。つまり、側鎖の長さが撥水性を左右するのです。
   そこで高原さんは、PFA-Cyが塗られた表面に、SPring-8のBL13XUを使って、微小角入射広角X線回折（GIWAXD）を行いました。この手法では、微結晶の大きさや結晶の乱れが観測できます。その結果、側鎖の炭素が８個以上のとき、層構造をつくりながら、同時に各層が六方晶のような結晶なっていることがわかりました（図1）。この構造によって、高い撥水性が現れていたのです。この成果は、すでに表面撥水・撥油コーティング剤の設計に応用されています。

表面構造の“動き”を見る

   「温度を上げると膨らんで、温度を下げると縮むような高分子のヒゲをつくりました」と高原さん（図2）。“高分子のヒゲ”とは、物体表面にたくさんのポリマーを生やしたもののことで、「ポリマーブラシ」などともいわれます。
   このポリマーブラシを図2のように湯に浸けると、ポリマーは膨らみ絡まりあっていたポリマーがほどけます。湯から出して温度が下がると、ポリマーは縮みます。この性質を利用すると、ポリマーブラシを生やした物体どうしをくっつけたり（接着）、はがしたり（剥離（はくり））できるのです。これを応用した材料をつくろうとしたき、ポリマーの伸縮にあまり時間がかかるようでは不便です。そこで高原さんは、SPring-8のコヒーレントX線を利用して、ポリマーブラシの構造の時間変化を観察しました。
   コヒーレントX線をポリマーブラシに照射すると、スペックルパターンという模様が現れます。この模様は分子の動きに合わせて変化します。この性質を利用して高原さんは、ポリマーブラシの動きを解明しようとしています。「世界的にもまだ始まったばかりの研究です。高いテクニックが必要とされるので、国内では私のグループとほかに２グループしかできません。観測可能な時間間隔の限界がミリ秒（1000分の1秒）とまだ遅くて、分子レベルの構造の速い変化を追うことが難しいです」。まだ課題はありますが、近年のコヒーレントX線散乱測定技術の向上によって、分子構造の時間変化がとらえられるようになってきているのです。

アリマキが自分の排泄物におぼれない理由

   高原さんの構造研究は、生き物のもつ能力にも及んでいます。例えば、“液体ビー玉”の研究を行っています。液体ビー玉とは、疎水性の粒子に覆われた球形の液体のことで、アリマキ（アブラムシ）の排泄物（甘い汁）をまねてつくりました。
   アリマキは液体ビー玉をどのようにつくっているのでしょうか。ある種のアリマキは植物の葉に虫こぶをつくり、ここを巣にしています。巣内の壁は排泄物で水浸しにならないように、ワックスのような疎水性の粒子が塗られています。このワックス粒子は水をはじく力が極めて高いために、排泄物は球状になり、そのまま外へと運び出されます。この過程で排泄物表面にワックス粒子が吸着するので、外に運び出された後も球状を保っています。こうして、アリマキは巣内でも巣外でも自分の排泄物でおぼれることはありません。これが液体ビー玉です（図3）。
   この液体ビー玉を面白いと感じた高原さんは、疎水性の粒子を人工的につくり、中にいろいろな液体を入れ、液体ビー玉どうしを結合させる実験を繰り返しました（表紙）。そして、結合する様子を、SPring-8のビームラインBL20XUのX線CTを使って詳しく観察したのです。観察結果から液体の種類によって微粒子の間隙へのしみ込みやすさが異なり、液体ビー玉の力学的な安定性が異なることが明らかになりました。「何に応用できるか、いろいろな可能性があると思うんです」。今までにない物質の登場が、まったく新しい製品を生み出すと考えると、液体ビー玉の研究が今後どのように展開していくか楽しみです。

コラム：この世界に興味は尽きません。

   「新しもの好きなんですよ」と話す高原さんは、まず、知らない場所へ行くのが何よりも好きです。すでに、日本国内では行ったことのない都道府県はありません。そして、行く先々で、必ず新しいものを見つけてきます。外に出かければ、風景を楽しみ、昆虫や植物を観察し、その不思議に驚いています。 特に、科学オモチャ探しは習慣になっています。
   「この砂は、水を使わなくても湿った感じになって、まとまるので、部屋を汚さずに遊ぶことができます。砂が、高分子でコーティングされているんですね」。何と、ここにもソフトマテリアルが使われています。こうして好きなことをしながらも、研究のヒントを得ているのです。

大好きな科学おもちゃに囲まれて。

 

文：サイテック・コミュニケーションズ　池田亜希子

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この記事は、、九州大学先導物質化学研究所の高原淳主幹教授にインタビューして構成しました。

 

SPring-8の利用をご検討中の皆様へ

微小角入射X線回折について

   「研究成果・トピックス」でソフトマテリアルの表面を観測した手法は、微小角入射広角X線回折測定法（GIWAXD）と呼ばれます。これはX線を試料に非常に浅い角度（0.1°程度）で入射し、表面（深さ数nm）からの散乱・回折像を測定することで、試料表面の構造解析を行う手法です。X線に対する薄膜試料の角度を変えることにより、表面のほか内部の構造を調べることも出来ます。
   SPring-8では、BL13XU，BL03XU，BL40B2，BL45XU，BL46XUでこの構造評価法を用いた精密構造解析がなされ、無機・金属材料の他、ソフトマテリアル材料の表面構造評価がなされています。また、二次元検出器を用いた測定が行われており、さらにはサブnmの構造評価を行うGIWAXD以外にも、表面におけるnm〜数十nmの構造評価を行う微小角入射小角X線散乱測定法（GISAXS）も可能です。また、薄膜以外の形状のソフトマテリアルの階層構造評価を行うために、今回紹介した微小角入射散乱・回折法の他、透過型散乱法などを組み合わせた測定も可能です。
   SPring-8の利用事例や相談窓口については、こちらをご覧ください。

  微小角入射X線回折装置（BL13XU）。試料を入射X線に対してすれすれ（0.1°程度）になるように調整し、そこから散乱（回折）するX線を検出器を用いて取得する装置。

SPring-8を支える技術

第12回：X線分光器

   雨上がりの虹を想像してください。日光が水滴で反射します。屈折率の違いで色ごとに反射の方向がずれて七色に分かれます。色の違いは波長の違いです。光を波長によって分けることを「分光」といいます。X線の波長は可視光の一万分の一位で、結晶内の原子の間隔と同程度です。原子の並びがほぼ完璧な結晶に特定の角度でX線を当てると、各原子で散乱されたX線が同調して、角度に応じた波長のX線だけを反射します（これをブラッグ反射と呼びます）。SPring-8の分光器には、結晶の角度を調整するために分解能0.01秒角の回転ステージが組み込まれています（注）。分光されなかった残りのX線はほとんど熱として結晶に吸収されます。SPring-8の放射光は非常に強いので、熱によって結晶の原子の並びが崩れないように液体窒素で冷却します。液体窒素を流すときの振動も抑えないと上手く機能しません。放射光実験のほとんどは、こうして分光されたX線を使って行われます。
     （注）SPring-8から大阪駅まで長さ100 kmの棒を渡してSPring-8側を支点に0.01秒角持ち上げると、大阪側で持ち上がる量はわずか5 mmです。

（光源・光学系部門　山崎裕史）

お知らせ

第23回SPring-8施設公開のお知らせ

SPring-8、SACLAをはじめとする敷地内の各施設・装置の公開や研究成果紹介、科学講演会、光科学に関する実験・実演など、 施設をより身近に感じていただけるイベントを企画しております。     みなさまのご来場を心よりお待ちしております。
開催日時　2015年4月26日（日）（予定）9:30〜16:30 ※雨天決行です。 ※受付は15:30までです。 ※車でのご来場は近隣の特設駐車場をご利用下さい。 予約不要·入場無料 公開施設 ♦大型放射光施設 SPring-8 ♦X線自由電子レーザー 施設SACLA ♦兵庫県立大学ニュースバル放射光施設 ♦放射光ナノテクセンター ♦放射光普及棟 イベント ♦科学講演会 ♦科学実演・工作・体験 ♦研究成果紹介 ♦見学ツアー ♦装置公開 ♦三日月郵便局臨時出張所 ※参加人数に限りがあるイベントがあります。（事前予約不可）
	最新の情報は、施設公開ホームページをご覧ください！

光のひろばからのお知らせ

研究者インタビューのお知らせ！

   次回の研究者インタビューは、岡山市立オリエント美術館の四角隆二さんに、「古代ガラスの謎にせまる」をテーマにお話をお伺いしました。
   古代（ササン朝）ガラス器の詳細な製造時期や製造場所を分類されている四角さん。古代からのメッセージでもある美術工芸品について、SPring-8の放射光を利用して、試料を壊さずに、今まで誰も分からなかったメッセージを読み解いているようです。
   インタビューでは、放射光を用いて明らかになったことや将来の可能性についてもお伺いしました。４月公開予定。お楽しみに。

SPring-8/SACLAコンファレンス2014開催報告

   2014年12月1日（月）、JPタワー ホール＆カンファレンスにおいて、『SPring-8/SACLAコンファレンス2014 〜進化する光が拓く科学技術〜』を開催しました。コンファレンスは、登録施設利用促進機関である高輝度光科学研究センター（JASRI）が、先端放射光とX線自由電子レーザーの利用研究拡大・進化、新たな利用研究開拓の場として開催しました。講演では、産官学から講師をお招きし、幅広い利用分野の成果を御紹介いただきました。今回は、次期放射光光源、並びに、X線自由電子レーザー施設SACLAのセッションも設け、今後の高エネルギー光科学の展望について議論する場としました。また、大学院生が実験責任者となる「萌芽的研究支援課題」の中から、自主性と独創性に特に優れた課題に授与される萌芽的研究アワードの授賞式と受賞講演も行われました。各セッションでは、より先端的な利用成果を生むための計測基盤の開発動向や利用システムの紹介も行い、今後の利活用に向けた活発な議論が交わされました。

（実行委員会）