2) 液晶ゲル:ミクロ構造を制御した機能性材料

ゼリーのような物理ゲルは、溶媒中で低分子ゲル化剤が相互作用により ネットワーク状の集合体を形成し、ソフトな固体となるものである。

我々は、普通の溶媒のかわりに機能性流体である液晶を低分子ゲル化剤を用いて 物理的にゲル化することにより液晶ゲルをつくることに成功した。液晶ゲルは、 低分子ゲル化剤が集まってできた網目状の固相と、その中にとりこまれた 液晶溶媒(液晶相)からなるミクロ相分離構造を形成している。

液晶のゲル化により、以下に示すような、様々な新しい構造・すぐれた機能が発現した。

  1. ネマチック液晶をゲル化した液晶ゲルは、ディスプレイとして広く応用されているTN(ツイストネマチック)表示素子の中において、電場に対する応答速度が高速化する。(例えば、文献 10, 24)

  2. ゲル化剤の集合体をネマチック液晶の中に効率よく分散させることで形成する白濁状態を利用して光散乱型ディスプレイを開発した。電場のオン/オフによって明るく高コントラストの光散乱/光透過スイッチングが達成されている。(例えば、文献 11, 13, 14, 17)


  3. 層状に液晶分子が集合したスメクチック液晶をゲル化することで、ネマチック液晶よりも秩序の高い液晶ゲルを得ている。スメクチック液晶は、ゲル化剤分子が繊維状に組織化する際に鋳型として機能し、液晶の層構造とゲル化剤の繊維が一方向に並んだ、異方的な複合体を形成する。(例えば、文献 18)


  4. 円盤状の分子構造をもつディスコチック液晶は、分子が重なりあって形成する筒状集合構造に基づき、電荷を運ぶ性質を示す。ディスコチック液晶を物理的にゲル化した場合に、電荷の移動する速さが液晶単独時よりも速くなることを見出している。(例えば、文献 15)


  5. フォトクロミック分子であるアゾベンゼンを導入したゲル化剤とネマチック液晶とで構成される光応答性液晶ゲルは、光刺激により複合構造が可逆的に変化する。この可逆的な光誘起複合構造変化を利用した新たなコンセプトの光情報記録の応用も可能である。液晶として電荷を輸送する性質を持つディスコチック液晶を用いた場合にも光によって液晶の並び方を制御することができた。(例えば文献9, 12)


  6. 電場で並んだネマチック液晶の中で、異方的なゲル化剤の繊維を形成することにより、液晶の配向状態を固定化した。電場と熱をうまく組み合わせることによって、書き換え可能な光散乱型メモリー表示へと応用することができる。(例えば文献8)


  7. 液晶の中で形成される異方的なゲル化剤の繊維を、光重合によって固定化した。固定化された異方的な構造を利用することにより、液晶の並び方を制御することができる。(例えば文献5)


  8. 重合性部位を有する低分子ゲル化剤を用いて、液晶中のランダムに分散したファイバー状会合体の光重合・固定化を行った。得られた液晶ゲルは、熱的に安定化されただけでなく、光散乱/透過のスイッチングの繰り返し特性が向上した。(例えば文献2、3)



(我々の用いた低分子ゲル化剤の多くは信州大学の英教授らによって開発されたものである。)



代表的関連文献

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    Kazuhiro Yabuuchi and Takashi Kato
    Handbook of Liquid Crystals 2nd Edition, (Eds. John W. Goodby, Peter J. Collings, Takashi Kato, Carsten Tschierske, Helen Gleeson, and Peter Raynes) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Vol. 6, p. 1-25 (2014).
  2. Liquid-Crystalline Gels Exhibiting Electrooptical Light Scattering Properties: Fibrous Polymerized Network of a Lysine-Based Gelator Having Acrylate Moieties
    Hiroki Eimura, Masafumi Yoshio, Yoshiko Shoji, Kenji Hanabusa, and Takashi Kato
    Polym. J., 44, 594-599 (2012). (Special Issue)
  3. Self-Assembled Fibers Photopolymerized in Nematic Liquid Crystals: Stable Electrooptical Switching in Light-Scattering Mode
    Yuki Hirai, Norihiro Mizoshita, Masaya Moriyama, and Takashi Kato
    Langmuir, 25, 8423 (2009). (Special issue on Molecular and Polymer Gels: Materials with Self-Assembled Fibrillar Networks)
  4. Liquid-Crystalline Physical Gels
    Takashi Kato, Yuki Hirai, Suguru Nakaso, and Masaya Moriyama
    Chem. Soc. Rev., 36, 1857 (2007).   [FRONSTISPIECE IMAGE]
  5. Liquid-Crystal Composites Composed of Photopolymerized Self-Assembled Fibers and Aligned Smectic Molecules
    Norihiro Mizoshita and Takashi Kato
    Adv. Funct. Mater., 16, 2218 (2006).
  6. Functional Liquid-Crystalline Assemblies: Self-Organized Soft Materials
    Takashi Kato, Norihiro Mizoshita, and Kenji Kishimoto
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  7. Gelation of Liquid Crystals with Self-Assembled Fibers
    Takashi Kato, Norihiro Mizoshita, Masaya Moriyama, and Tetsu Kitamura
    Top. Curr. Chem., 256, 219 (2005).
  8. Bistable Nematic Liquid Crystals with Self-Assembled Fibers
    Norihiro Mizoshita, Yuki Suzuki, Kenji Hanabusa, and Takashi Kato
    Adv. Mater., 17, 692 (2005).
  9. Photopatterning of Discotic Liquid-Crystalline Gels
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  10. Fast and High-Contrast Electro-Optical Switching of Liquid-Crystalline Physical Gels: Formation of Oriented Microphase-Separated Structures
    N. Mizoshita, K. Hanabusa, and T. Kato
    Adv. Funct. Mater., 13, 313 (2003).
  11. Homeotropically Oriented Nematic Physical Gels for Electrooptical Materials
    Y. Suzuki, N. Mizoshita, K. Hanabusa, and T. Kato
    J. Mater. Chem., 13, 2870 (2003).
  12. Photoresponsive Anisotropic Soft Solids: Liquid-Crystalline Physical Gels Based on a Chiral Photochromic Gelator
    M. Moriyama, N. Mizoshita, T. Yokota, K. Kishimoto, and T. Kato
    Adv. Mater., 15, 1335 (2003).
  13. Light Scattering Electrooptic Behavior of Liquid-Crystalline Physicail Gels - Effects of Microphase-Separated Morphologies
    Norihiro Mizoshita, Yuki Suzuki, Kenji Kishimoto, Takashi Kato, and Kenji Hanabusa
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  15. The Positive Effect on Hole Transport Behaviour in Anisotropic Gels Consisting of Discotic Liquid Crystals and Hydrogen-Bonded Fibres
    Norihiro Mizoshita, Hirosato Monobe, Masaaki Inoue, Masakatsu Ukon, Tsuyoshi Watanabe, Yo Shimizu, Kenji Hanabusa, and Takashi Kato
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  16. 自己組織化でつくるソフトマテリアル―いろいろな分子を集めて,並べて,働かせる―
    加藤隆史
    現代化学, 7月号, p.24 (2001).
  17. Electrooptical Properties of Liquid-Crystalline Physical Gels: A New Oligo(Amino Acid) Gelator for Light Scattering Display Materials
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    J. Mater. Chem., 12, 2197 (2002).
  18. Smectic Liquid-Crystalline Physical Gels. Anisotropic Self-Aggregation of Hydrogen-Bonded Molecules in Layered Structures
    Norihiro Mizoshita, Takaaki Kutsuna, Kenji Hanabusa, and Takashi Kato
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  19. Hydrogen-Bonded Liquid Crystalline Materials: Supramolecular Polymeric Assembly and the Induction of Dynamic Function
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  20. 溝下倫大, 加藤隆史, “液晶便覧”, 液晶便覧編集委員会編, 丸善 (2000), p. 446.
  21. 液晶ゲル:分子協調による高速応答化と階層構造の形成
    加藤隆史, 溝下倫大
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  22. Liquid-Crystalline Physical Gels: Self-Aggregation of a Gluconamide Derivative in Mesogenic Molecules for the Formation of Anisotropic Functional Composites
    Kazuhiro Yabuuchi, Alan E. Rowan, Roeland J. M. Nolte, and Takashi Kato
    Chem. Mater., 12, 440 (2000).
  23. Liquid Crystalline Physical Gels: Electrooptic Properties and Microphase-Separated Structures
    Norihiro Mizoshita, Takaaki Kutsuna, Kenji Hanabusa, and Takashi Kato, Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 4107, 108 (2000).
  24. Self-Aggregation of an Amino Acid Derivative as a Route to Liquid-Crystalline Physical Gels - Faster Response to Electric Fields
    Norihiro Mizoshita, Kenji Hanabusa, and Takashi Kato
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  25. Gelation of Room-Temperature Liquid Crystals by the Association of a Trans-1,2-Bis(Amino)Cyclohexane Derivative
    Takashi Kato, Takaaki Kutsuna, Kenji Hanabusa, and Masakatsu Ukon
    Adv. Mater., 10, 606 (1998).
  26. Thermoreversible Self-Organized Gels of a Liquid Crystal Formed by Aggregation of Trans-1,2-Bis(Acylamino)Cyclohexane Containing a Mesogenic Moiety
    Takashi Kato, Gohta Kondo, and Kenji Hanabusa
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