12/03/06 14:18:04.65
高分子の溶融体は圧力の違いで2つの顔を持つ - 慶応大などが発見
慶應義塾大学(慶大)、東京大学、京都大学、高輝度光科学研究センター(JASRI)の4者は2月
28日、高分子「isotactic poly(4-methyl-1-pentene)」(P4MP1)の融けた状態に圧力を加えて、
1nm程度の大きさの構造(原子の配置)を劇的に変化させることに成功したと共同で発表した。
成果は、慶應大理工学部の千葉文野助教、東大大学院理学系研究科の船守展正准教授、
京大大学院工学研究科の竹中幹人准教授、JASRIの大石泰生主幹研究員、ラザフォード・
アップルトン研究所、ラフバラー大学らによる国際共同研究グループによるもので、詳細な研究
内容は米科学誌「Physical Review E」のオンライン速報版に米国時間2月27日に掲載された。
物質に圧力を加え、ミクロにその構造を見ると、原子の並び方が大きく変化することがある。身近な
ものでは、鉛筆の芯として利用される黒鉛と宝石のダイヤモンドが挙げられるだろう。どちらも同じ
炭素からできているが、原子の並び方の異なる結晶だ。
なお、黒鉛は地球内部の高温高圧条件でダイヤモンドに相転移(構造変化)するという特性を持つ。
こうしたある結晶から別の結晶への相転移は、古くから知られていたが、近年も、相転移に関する
新たな発見が行われてきた。
例えば1985年には、原子が規則的に並んだ結晶ではなく、不規則に並んだアモルファスにおいても
相転移が存在することが、アモルファス氷で確認。2000年には、さらに液体においても相転移が存在
することが、液体リンについて示された。
現在までに、低分子のアモルファスや液体については多数の研究が行われ、構造変化において圧力が
主要な役割を果たすと考えられるようになっている。このような背景のもとに、今回の研究では、画像1の
比較的単純な高分子であるP4MP1の溶融体で実験が扱われた。
高分子材料は、ペットボトルからボーイング787の機体に至るまで、日常生活に欠かせない材料の1つだ。
温度を上げて融かした高分子の溶融体は、これまでは「1種類の液体」と考えられてきた。しかし、
P4MP1の溶融体は圧力の制御によって、パッキング(空間充填)の仕方、つまり構造が劇的に変化する
ことが判明したのである。つまり、高分子の溶融体の構造には、圧力によって構造の異なる「2種類の
液体」が存在することを意味するものだ。
URLﾘﾝｸ(www.spring8.or.jp)
画像1。高分子poly(4-methyl-1-pentene)(P4MP1)
今回の研究では、理化学研究所が所有し、JASRIが運営する大型放射光施設「SPring-8」の高圧
構造物性ビームライン「BL10XU」において、加熱して融かした高分子サンプルP4MP1に圧力を加え、X線
回折測定を実施した。
温度を280℃に保った状態で圧力を2700気圧まで上昇させていくと、回折パターンは画像2のように変化。
画像2の第1ピーク(FSDP,First Sharp Diffraction Peak)は、高分子の鎖間の相関(画像3)に起因する
ことが知られており、ピーク位置は1nm程度の長さに対応する。
URLﾘﾝｸ(www.spring8.or.jp)
画像2。高分子P4MP1の溶融体のX線回折パターンの圧力変化。結晶の構造解析と同様に、液体の
構造解析にもX線回折を用いる。結晶の場合はスパイク状のピークが観測されるが、液体やアモルファス
などの場合は、このように緩やかなカーブ状の回折パターンが特徴だ。ピークの位置や高さを解析すると、
液体中の原子の配列についての情報を得ることができる
URLﾘﾝｸ(www.spring8.or.jp)
画像3。高分子P4MP1の溶融体の構造の概念図。黒い太線は主鎖を表し、赤い線は側鎖を表す。
主鎖と側鎖については、画像1を参照。左側の図は低圧域での疎な構造の取り方を、右側の図は高圧
域での密な構造の取り方を模式的に表している
そして、画像4・5に示すように、このピークは圧力によって劇的かつ可逆に変化することが判明した。つまり、
加圧に伴い、第1ピークの高さは低くなってピーク位置は高波数(画像2では右)に移動し、減圧に伴い、
元の高さを回復してピーク位置も低波数に戻るというわけだ。
デイビー日高/マイナビニュース 2012/03/01
URLﾘﾝｸ(news.mynavi.jp) >>2辺りに続く