PowerPoint プレゼンテーション

Size: px

Start display at page:

Download "PowerPoint プレゼンテーション"

たみえさかど
5 years ago
Views:

1 分子組織科学特論講義 2 色づく分子組織体円偏光について甲虫の表皮液晶コレステリック液晶コレステリック液晶の分子配列を固定する制御する分子組織化による色の応用

2 円偏光は電場ベクトルの方向がらせんを描いて回転する光である位相を 4 分の 1 波長変化させる 1/4 波長板に 45 度で直線偏光を通すことで円偏光は作られる逆に円偏光を 1/4 波長板に通すことで直線偏光が得られる.

3 円偏光フィルター (1/4 波長板と直線偏光板の組み合わせ ) 左円偏光を通すフィルター左直線偏光板左直線偏光板右円偏光を通すフィルター

4 コガネムシの羽の成分キチン ( 繊維状微結晶 ) 弾性タンパク質レジリン ( マトリックス ) キチン (N-acetylglucosamine の高分子 ) 約 19 本束ねられたファイバー状微結晶 ( 直径 3nm) が弾性タンパク質レジリンの中に分散している

5 コガネムシの羽の断面の TEM 像 beetle Plusiotis boucardi 約 250nm 周期の縞が見える縞の中にアーチ状の模様が見える S A Jewell, P Vukusic and N W Roberts, New J. Phys. 9 (2007) 99

6 らせん状の構造と円偏光反射屈折率異方性 P/2 λ=np λ: 反射する円偏光の波長 n: 物質の平均の屈折率 P: らせん周期屈折率異方性を示す薄膜を左巻きらせん状に重ねるとらせん周期に依存した波長の左円偏光を選択的に反射する

7 コガネムシの羽は液晶状態 ( 流動性があるが自発的に異方性のある構造を取る状態 ) を経由して固まったものではないか

8 液晶とは液晶液晶性化合物液晶状態を示す化合物液晶状態液体のように流動性がありかつ分子の並ぶ向き ( 配向方向 ) に相当の秩序が存在する状態結晶状態液晶状態液体状態気体状態

液晶の発見 H H H H H Friedrich Reinitzer(1857-1927) tto Lehmann(1855-1922)

9 液晶の発見 H H H H H Friedrich Reinitzer( ) tto Lehmann( ) オーストリアの植物学者 F ライニッツァーは 1888 年に常温では固体のコレステロールの安息香酸エステルを加熱するとで白濁液状になりさらに加熱しするとで透明な液体になることを発見した翌年ドイツの物理学者レーマンは偏光顕微鏡による観察によって液体でありながら固体結晶のように光学的な異方性を持つことを見出しこの中間相に flüssige Kristtale (Liquid Crystal, 液晶 ) と命名した

10 液晶分子の構造的特徴しなやかな側鎖剛直な ( 棒状の ) コア (mesogen) 剛直なコアは液晶温度においても十分に大きな分子間相互作用を誘起し分子に一定の配列を取らせるしなやかな側鎖は棒状構造の一部でありファンデルワールス力を主な分子間相互作用として一定の配列を安定化することに寄与するそれと同時に液晶温度では構造が定まらないためファンデルワールス力は弱まり流動性をもたらす

11 液晶の分類 ( 分子配列 ) と特徴ネマティック液晶 1 分子の長軸は同じ方向を向いているが分子の位置に秩序がない 2 粘性が小さい 3 液晶ディスプレーに使われているコレステリック液晶 1 不斉を持ったネマティック液晶が示す相 2 一分子平面はネマティック相と同じであるが隣の分子平面内の分子の長軸は前の平面の分子とはねじれている分子は螺旋を描く 3 螺旋周期 P と屈折率 n の積に等しい波長 λ の光の半分 ( 一方の円偏光 ) は反射されるスメクティック液晶 1 分子が横方向にそろった層構造を持つ 2 流動性は低い ( 粘性は大きい ) 3 分子軸が層に垂直な S A 相や垂直から一定の角度で傾いた S C 相などの分類がある SA 半周期 p/2 SC

12 その他の分類 2 液晶を取る条件サーモトロピック一定の温度範囲で液晶状態をとるもの次のページリオトロピック一定の濃度で液晶状態をとるものリン脂質 ( 生体膜の主成分 ) スメクティックヒドロキシプロピルセルロースコレステリック

13 液晶性化合物の分子構造と液晶相 NC R R=C 5 H 11 : Cr 24.0 N 35.3 I R=C 7 H 15 : Cr 30.0 N 42.8 I R=C 8 H 17 : Cr 21.5 SA 33.5 N 40.5 I R N N R R=CH 3 : Cr N I R=C 2 H 5 : Cr N I R=C 11 H 23 : Cr 41.4 Sc I H H H R=Ph: Cr N* I R=C 2 H 5 : Cr N* I R H H R=C 13 H 27 : Cr 73.6 S 80.0 N* 85.6 I

14 液晶の合成例 (3) から (4) の反応は鈴木 - 宮浦クロスカップリングと呼ばれるもので北大発の重要な合成反応である鈴木章北海道大学名誉教授宮浦憲夫北海道大学工学研究科教授

15 液晶相の偏光顕微鏡写真 ( テクスチャ ) ネマティック相 ( シュリーレン ) コレステリック相 ( グランジャン ) スメクティック A 相 ( フォーカルコニックファン ) スメクティック C 相 ( ブロークンファン左シュリーレン右 )

16 液晶の配向方向の制御基板との界面による制御 ( 配向膜とラビング ) 配向膜によって基板表面に平行な平行配向や垂直な垂直配向に液晶分子を並ばせることができる配向の方向はラビング処理の方向で制御できるラビングの方向電場による制御誘電率異方性 Δε を有する液晶分子は電場下において誘電率のより大きな分子軸が電場に平行になるように配向する εa εb Δε = εa εb >0

17 液晶の複屈折性自然光偏光子液晶検光子液晶は直線偏光を分子長軸に平行な成分と垂直な成分に分けるここでは直交した検光子を通る成分がある

18 自然光偏光子液晶の旋光性ラビングの方向液晶検光子液晶はラビングの方向が直行する二枚の基板間では配向方向が徐々にねじれて 90 回転するそのような液晶セル (TN) は 90 の旋光性を示す

19 ツイステッドネマティック (TN) 液晶セルの動作偏光子液晶セル偏光子入射光光透過偏光子液晶セル偏光子入射光光はブロックされる電圧印加

20 コレステリック液晶の分子配列と反射色 l = np C 室温 78 C 1/2 pitch コレステリック液晶は螺旋構造の分子配列を形成しその周期 ( ピッチ ) に応じた波長の円偏光を選択反射する特徴を有するその反射光の中心波長(l) は液晶の平均屈折率 (n) ピッチ(P) と左記式の関係にあるつまりピッチが長くなれば長波長の光を短くなれば短波長の光を反射する l が可視領域の波長であれば液晶はきれいな反射色を呈することになる

21 高分子液晶によるコレステリック色の固定 Peacock tail: A typical example of physical colors in nature. CH 3 CH 3 H 2 C C H 2 C C R 1 R 2 H 2 R1 = C C CH 3 6 CH 3 R2 = H 2 C C H C N * CH 2 H. Finkelmann, et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 17, 935 (1978).

22 コレステリック液晶の構造 C H2 C H 2 C C 8 8 C 76 H Mol. Wt.:

23 種々の反射色が固定される現象色固定の方法温度制御液体 130 液晶状態液晶状態での温度変化急冷却高温低温固体膜室温

24 三原色を固定した試料と透過スペクトル N. Tamaoki, A. V. Parfenov, A. Masaki and H. Matsuda, Adv. Mater., 9, 1102(1997).

25 中分子コレステリック液晶薄膜 ( 反射波長 592nm) の走査電子顕微鏡像

26 2 枚の高分子フィルムに挟んだ中分子コレステリック薄膜

27 液晶中の光異性化反応 hn1 hn2 or D 少量添加した分子の光構造変化は液晶分子配列への影響を与える

28 光応答性分子の形の変化が液晶の並び方を変える添加物なしねじりなしねじり強いねじり弱い

29 ネマティック液晶中での光応答性キラル添加剤光応答性キラル添加剤光応答性コレステリック相キラル添加剤のねじり力 (b) = (P. C w. ) -1

30 添加剤の光異性化反応による螺旋ピッチの制御 H 2 C N N wedge cell H 2 C in ZLI-1132 CH 2 CH 2 Heat Vis 160 mm Initial state UV Heat LC Host II ZLI-1132 R CN UV R N 72 o C I CN 180 mm Vis 230 mm

Reflectance % 添加剤の光異性化反応による反射色の制御 Reflectance

ZLI 436 nm-irradiation 50 50 40 30 0s 30s

400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength,

31 Reflectance % 添加剤の光異性化反応による反射色の制御 Reflectance (%) 366 nm irradiation 12 wt% of dopant in ZLI 436 nm-irradiation s 30s 160s s 180 s pss 366nm Wavelength, nm Wavelength (nm)

32 アゾベンゼンの異性化反応に伴うらせん周期変化の機構 C H2 C 8 H 2 C 8 C 4,4 - ジドデシルアゾベンゼン添加 UV P Vis R N N R UV Vis R N N R ねじりを消失させる添加剤 R= -C 12 H 25

33 アゾベンゼンの光異性化によるピッチ ( 反射色 ) の変化アゾベンゼンの p-p* 吸収反射バンド 4,4 - ジドデシルアゾベンゼン 1 wt% 添加光量の増加とともに cis 体が増加し反射バンドは短波長シフトする 2 wt% 添加 ( 赤 )87 で光照射せずに固化 ( 緑 )87 で 2 秒間光照射 ( 青 )87 で 15 秒間光照射 4,4 - ジドデシルアゾベンゼンの trans cis 光異性化によりコレステリックピッチは短くなる

34 レーザー走査照射装置 PC イメージ変換器 He-Cd レーザ変調器 X-Y ガルバノスキャナーレンズ試料

35 レーザー走査照射装置で記録したサンプルの写真 N N C 7 H 15 光反応による反射バンドの変化量 300nm 高い熱安定性 ( メモリー性 ) Volume 33, Number 2 20 February 2004 Cover

36 トルコのコガネムシには液晶の色を塗り分けているものがいる東工大竹添研究室のホームページより

37 シャコは円偏光を識別している Circular Polarization Vision in a Stomatopod Crustacean, T. H. Chiou et al., Curr. Biol., 2008, 18, 429.

39 コレステリック液晶固体薄膜のその他の応用液晶ディスプレーの輝度向上フィルムこれまで光の半分を熱として捨てていた直線偏光板が要らなくなり原理的には光を 100% 活用できる

Microsoft PowerPoint - 山口高校資料 ppt

Microsoft PowerPoint - 山口高校資料 ppt 液晶の科学山口東京理科大学基礎工学部電子情報工学科兼液晶研究所教授高頭孝毅 2006/08/03.07 1 講義の内容偏光について液晶物質について LCD について ( 偏光板と液晶物質のコラボレーション ) 2006/08/03.07 2 偏光について光は電場の振動でできる波光は電場が振動して形成される波通常の光 360 度全ての方向に振動している 2006/08/03.07 3 偏光について