JP2006028202A - 引張応力により構造色が変化する周期構造を有する弾性体材料とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板上に単分散粒子を空間的かつ周期的に配列する工程と、前記周期的に配列した単分散粒子の間隙に弾性体を充填する工程と、前記弾性体を充填された前記単分散粒子の周期を拡大する工程と、前記基板から前記弾性体を剥離する工程とを包含することによって、構造色変化型弾性体材料を得る。
【選択図】 図1
Description
T.C.Wang et al.,Adv.Mater.vol.14、p.1534 、(2002) C.Osuji, Adv. Functional Mater.vol12、p.753、(2002) Y.Iwayama et al.,Langmuirvol.19、p.977、(2003) S.H.Foulger et al.,Adv.Mater.vol.15、p.685、(2003) H.Fudouzi "Fabricating high quality opal film with uniform structure over large area",J.Colloid Interface Science,275,277−283,2004.
するヒューズ素子、簡易型の重量計といった各種機能性部材や、機器類、各種玩具等各種分野に使用されうる弾性体材料を提供しようというものである。さらにまた、この弾性体シートを対象物に貼り付け、スペクトル分析によって弾性体の変形量を測定し、以って対象物の変形や歪変化を検出する新技術を提供しようというものである。
(2)前記単分散粒子が、ポリスチレン粒子である、前記(1)項に記載の弾性体材料。(3)前記弾性体が、ポリジメチルシリコーンジェルまたは人工ゴムである、前記(1)項に記載の弾性体材料。
(4)前記単分散粒子の空間的かつ周期的な配列が、可視光から近赤外光領域でブラッグ反射の条件を満たすことを特徴とする、前記(1)ないし(3)の何れか1項に記載の弾性体材料。
(5)前記弾性体材料に引張応力を印加した場合、前記弾性体材料の長手方向の長さの伸び率と、前記単分散粒子の周期の変化量とは比例関係を満たすことを特徴とする、前記(1)ないし(4)の何れか1項に記載の弾性体材料。
(6)前記単分散粒子の粒径が、150〜750nmの範囲である、前記(1)ないし(5)の何れか1項に記載の弾性体材料。
(7)フィルム状の形態に加工され片面に接着剤あるいは接着シートを有し、シールとして対象物に貼り付けることを容易にした前記(1)ないし(6)の何れか1項に記載の弾性体材料。
(8)構造色を発現し、可逆的弾性変形を有する弾性体材料を製造する方法であって、基板上に単分散粒子を空間的かつ周期的に配列する工程と、前記周期的に配列した単分散粒子の間隙に弾性体を充填する工程と、前記弾性体を充填された前記単分散粒子の周期を拡大する工程と、前記基板から前記弾性体を剥離する工程とを包含することを特徴とした、弾性体材料を製造する方法。
(9)前記単分散粒子が、ポリスチレン粒子である、前記(8)項に記載の弾性体材料の製造方法。
(10)前記弾性体が、ポリジメチルシリコーンジェルまたは人工ゴムである、前記(8)または(9)項に記載の弾性体材料の製造方法。
(11)前記単分散粒子の粒径が、可視光として視認する材料に対しては150〜250nmの範囲であり、近赤外領域の半導体レーザーとその光量検出に対しては250〜750nmをさらに加えた範囲とする、前記(8)ないし(10)の何れか1項に記載の弾性体材料の製造方法。
(12)光量の変化に応じて光が透過する、および/または、透過しない光スイッチであって、光源と、前記光源からの光が入射する少なくとも1つの弾性体材料と、前記少なくとも1つの弾性体材料を透過した光を検出する光検出器とを備え、前記少なくとも1つの弾性体材料は、空間的かつ周期的に配列された単分散粒子と、前記単分散粒子間および前記単分散粒子の周りに位置する弾性体とを含み、前記光スイッチは、前記光源からの前記光の波長と、前記単分散粒子の配列周期に基づく前記少なくとも1つの弾性体材料のブラッグ反射のピークが一致した場合、前記光は前記少なくとも1つの弾性体材料を透過せず、前記光の波長と前記ブラッグ反射のピークとが一致しない場合、前記光は前記少なくと
も1つの弾性体材料を透過する、光スイッチ。
(13)前記少なくとも1つの弾性体材料は、面内に格子状に配置されており、前記少なくとも1つの弾性体材料のそれぞれは、光ファイバーによって接続されている、前記(12)項に記載の光スイッチ。
(14)弾性体材料を用いて物体の歪みを検出する方法であって、前記弾性体材料は、空間的かつ周期的に配列された単分散粒子と、前記単分散粒子間および前記単分散粒子の周りに位置する弾性体とを含み、前記方法は、前記弾性体材料を前記物体に適用する工程と、前記物体に付与された前記弾性体材料のブラッグ反射の波長を測定する工程と、前記測定されたブラッグ反射の波長に基づいて前記物体の歪を算出する工程とを包含する歪み検出方法。
(15)前記算出する工程は、前記ブラッグ反射の波長λと前記弾性体材料の伸び率dL/Lとのλ∝dL/L(ただし、0≦dL/L(%)≦20)を用いる、前記(14)項に記載の歪み検出方法。
応力を加えることによって可逆的に弾性変形し、この変形量によって色調が可逆的に変化する弾性体材料を作製した。先ず、単分散ポリスチレン粒子(PS)サスペンジョン(粒子径202nm、Polysciences社、水系溶媒)を用意し、サスペンジョンを基板上にキャスティングし、コロイド結晶の立方最密充填構造体を膜状に形成した。その後、予め用意しておいた2種類のポリジメチルシリコーン(PDMS)ジェルの前駆体ポリマー溶液(原液粒子濃度2.5wt%を2〜5倍に純水で希釈して使用)を膜状のコロイド結晶に流し込み、該結晶を覆った。室温で24時間かけて固化させた後、さらに50℃で3時間、熱処理を行うことで、このコロイド結晶の隙間に前駆体ポリマーを浸透、固化させて粒子間にポリジメチルシリコーン(PDMS)ジェルを粒子間に充填した。さらに、さらにこの操作を繰り返すことによって、粒子間に存在するPDMSジェル量を増加させる。その結果、粒子間の間隔が拡大された試料を作製することが出来た。この作製方法は後述する図6およびその説明でも取り上げ、詳しく説明する。図1は、こうして形成、作成されたコロイド結晶弾性体に引張応力が作用し、これによって弾性変形が生じ、配列したコロイド結晶の周期構造が変化する様子を原理的、模式的に示す図である。すなわち、図1によると粒子配列の周期構造d0が引張応力によりPDMSジェルが弾性変形し、周期構造がdに収縮する。色が発現し、変化する理由は、この周期構造に対応し光がブラッグ反射し構造色を呈することによる。この周期が弾性変形によって変化するため構造色がブルーシフトするものである。そして、この構造色の変化は応力を取り除くと初期状態に可逆的に戻るよう変化するものである。
図2は、粒子径202nmのPS粒子とその粒子間をPDMSジェルで充填した本発明
の弾性体材料の微細構造を走査型電子顕微鏡によって観察した際に得られた像(スケールバーは500nm)であり、図3は、図2に示す試料に引っ張り応力を印加し、引張応力印加の前後におけるブラッグ反射ピークの変化を示したスペクトルである。図3によると、応力を印加するとピークがブルーシフトし,応力を除くと初期の位置に復帰することが示されている。さらに、図4は、前述して作製されたコロイド結晶弾性体に引っ張り応力印加の有無によるブラック反射波長領域の位置的変化とその規則性を示すものである。この図によると弾性体の弾性変化に対応してピークは繰り返し移動することが示されているものである。このことから、上記コロイド結晶弾性体は、弾性変形を繰り返すと構造色も可逆的に変色できることを示している。
図5は、前記作製したコロイド結晶弾性体の伸び率とブラッグ反射光のピーク波長の変化量の関係をグラフに表したものである。
この図によると、伸び率と波長ピーク位置との関係は、伸び率20%以内で比例関係にあり、弾性体の歪み・変形量はブラッグ反射光波長のシフト量を知ることによって知ること、すなわち、測定することができる。図5中、Aは異なる伸び率におけるブラッグ反射ピークを重ねてプロットした。一方、Bはそのピーク位置を伸び率との関係をプロットした。比例関係が成立する条件に基づき、この原理を利用することによって、簡易型の歪み・変形センサーへ応用できる。
次ぎに、構造色を呈する弾性体の作製方法を、専らその作製プロセスを示す図6に基づいて説明する。
先ず、粒子径が揃った(CV値が1.1%)PSの単分散粒子(202nm、Polyscience社製)PSサスペンション液(水溶液サスペンション、初期濃度2.5wt%を純水で2〜5倍に希釈した)を用意した。次いで、親水化処理したマイラーフィルム上に該PSサスペンション液を滴下した(図中、工程1)。この場合、滴下量はサスペンションが基板全体を覆い、かつ液が基板からはみ出さない量とする。その後、シリコンオイルでサスペンションの上面を被覆し、この状態で水を蒸発させた。この操作によってPS粒子は自己集積し、基板上にコロイド結晶が得られる(図中、工程2)。得られたコロイド結晶は、その粒子間にはもとの分散媒(水)は蒸発してなく、PS粒子が規則的かつ密に自己集積して配列している。以上の工程からなるコロイド結晶の生成プロセスについては学術論文(例えば、非特許文献5参照)にもその詳細が報告、開示されている。
以上の工程に続き、得られたコロイド結晶にPDMS前駆体ポリマー溶液を加えた。この操作によって、結晶化したポリスチレン粒子間にはPDMS溶液が浸透し、ジェルへと変質固化し、PDMSジェルによるコンポジットが形成される(図中、工程3)。こうして得られたコンポジット中のコロイド結晶は、PS粒子が規則的かつ密に配列した状態を保っていることは勿論であるが、該一度の浸透操作によっては、結晶粒子はPDMSの変形に対して追随性に乏しく、そのため構造色発現性に乏しい場合があるが、その原因は、粒子間距離が小さく、弾性材料と粒子間との関係が十分でないことに起因するものであるので、このような場合、初期の粒子間距離を適正な距離に広げておく必要がある。すなわち、コンポジット中のPS粒子間距離を広げることによって、各粒子はPDMSジェルの
引っ張り応力による変形に追随し、これによってPS粒子の配列周期が応力に応じて減少し、構造色の多様な変化が発現する。初期粒子間距離を適正な範囲に広げるためには、前記PDMSを浸透、およびまたは固化する操作を繰り返すことによって、粒子間隔を拡大することができる。202nmのPS粒子ではこの操作により弾性体は緑色から赤色へと構造色がレッドシフトした。図6中、工程4は、この粒子間距離を拡大する操作を示しているものである。こうして作製されたシートは、弾性を有しており、基板から剥離させることによって自立した膜が作製される(図中、工程5)。以上のプロセスによって、本発明の色調変化型弾性体材料をシート状に作製することができる。得られた弾性シートは、PS粒子が一定の規則性、周期性を以て配列した構造を有し、その粒子間隔は、図1に示すように一定のギャップを有した微細構造を形成していることが確認された。また、この弾性体の構造色は、赤色を呈しているものであった。これに引っ張り応力を作用させたところ、色は次第に緑色に変化していった。また、応力を解除したところ、元の形、赤色に戻った。すなわち、可逆性のある構造色変化型弾性体を提供することが出来た。
実施例3のPS粒子を、粒子径を変えた以外は、全く同じ条件、プロセスで弾性体を作製した。すなわち、粒子径175nmの粒径の揃ったPS単分散粒子を用意し、実施例3と同様の条件、プロセスを適用した。その結果得られた弾性体は、構造色が緑色を呈した弾性体が得られた。この弾性体に引っ張り応力を与えたところ、色が次第に青〜紫色に変化し、応力を解除したところ元の形、色に復元した。実施例3同様、可逆性のある構造色変化型弾性体を提供することが出来た。
次ぎに、本発明の弾性体を利用して、弾性体に印加される応力の有無によって、ブラッグ反射ピーク位置がシフトする現象を光スイッチに応用した実施の態様について図7、図8に基づいて詳述する。すなわち図7は、ブラッグ反射ピークのシフトを利用した光スイッチ素子の設計例とその動作原理を示すものである。図7において、光スイッチは、半導体レーザー、本発明による弾性体、および光検出装置から少なくても構成される。弾性体に印加する引張応力の有無によって、ブラッグ反射ピークが移動することは、図4、図5およびそれらの説明から明らかにした。図7において、使用する半導体レーザーの波長(斜線領域)を適切に設定することで光量の変化を利用したスイッチを実現できる。図ではピークの波長と半導体レーザーの波長が重なった場合(すなわち、引張り応力が加わってない場合)、レーザー光はブラッブ反射するため透過光量が小さい(この状態をONとする)。一方、応力が掛かった状態では、ブラッグ反射ピークが低波長側へ移動するためレーザー光はほとんど透過する(この状態をOFFとする)。このように弾性体に引張応力が加わっているか、いないかを半導体レーザーの透過光量に対応させる光スイッチとして利用できる。図8は面状に配置し応力が掛かった場所を特定することができる。弾性体はセンサー部に設置しアレイ状に配列させ、センサー部の連結は光ファイバーで格子に連結されている。図のように局所的に応力が印加した領域では光の透過量が増加し、X2とY2が共にOFFであると分かる。その他のラインは全てONであるので光は透過することができない。その結果、応力が局所的に加わっている場所を特定できる。
逆的に変化する弾性体材料を提供するものである。本弾性体は、実施例にも示すように色調の変化によって歪みを視覚的に視認することが出来る歪みセンサーとして供することを始め、光スイッチや簡易型の重量計といった各種機能性部材や、機器類、各種玩具等各種分野に使用されうる弾性体材料を提供するものであり、各種技術分野において今後大いに使用され、産業の発展に大いに寄与することが期待される。
Claims (15)
- 空間的かつ周期的に配列された粒子径が揃った単分散粒子と、前記単分散粒子間および前記単分散粒子の周りに位置する弾性体とを含む弾性体材料。
- 前記単分散粒子が、ポリスチレン粒子である、請求項1に記載の弾性体材料。
- 前記弾性体が、ポリジメチルシリコーンジェルまたは人工ゴムである、請求項1に記載の弾性体材料。
- 前記単分散粒子の空間的かつ周期的な配列が、可視光から近赤外光領域でブラッグ反射の条件を満たすことを特徴とする、請求項1ないし3の何れか1項に記載の弾性体材料。
- 前記弾性体材料に引張応力を印加した場合、前記弾性体材料の長手方向の長さの伸び率と、前記単分散粒子の周期の変化量とは比例関係を満たすことを特徴とする、請求項1ないし4の何れか1項に記載の弾性体材料。
- 前記単分散粒子の粒径が、150〜750nmの範囲である、請求項1ないし5の何れか1項に記載の弾性体材料。
- フィルム状の形態に加工され片面に接着剤あるいは接着シートを有し、シールとして対象物に貼り付けることを容易にした、請求項1ないし6の何れか1項に記載の弾性体材料。
- 構造色を発現し、可逆的弾性変形を有する弾性体材料を製造する方法であって、基板上に単分散粒子を空間的かつ周期的に配列する工程と、前記周期的に配列した単分散粒子の間隙に弾性体を充填する工程と、前記弾性体を充填された前記単分散粒子の周期を拡大する工程と、前記基板から前記弾性体を剥離する工程とを包含することを特徴とした、弾性体材料を製造する方法。
- 前記単分散粒子が、ポリスチレン粒子である、請求項8に記載の弾性体材料の製造方法。
- 前記弾性体が、ポリジメチルシリコーンジェルまたは人工ゴムである、請求項8または9の何れか1項に記載の弾性体材料の製造方法。
- 前記単分散粒子の粒径が、可視光として視認する材料に対しては150〜250nmの範囲であり、近赤外領域の半導体レーザーとその光量検出に対しては250〜750nmをさらに加えた範囲とする、請求項8ないし10の何れか1項に記載の弾性体材料の製造方法。
- 光量の変化に応じて光が透過する、および/または、透過しない光スイッチであって、光源と、前記光源からの光が入射する少なくとも1つの弾性体材料と、前記少なくとも1つの弾性体材料を透過した光を検出する光検出器とを備え、前記少なくとも1つの弾性体材料は、空間的かつ周期的に配列された単分散粒子と、前記単分散粒子間および前記単分散粒子の周りに位置する弾性体とを含み、前記光スイッチは、前記光源からの前記光の波長と、前記単分散粒子の配列周期に基づく前記少なくとも1つの弾性体材料のブラッグ反射のピークが一致した場合、前記光は前記少なくとも1つの弾性体材料を透過せず、前記光の波長と前記ブラッグ反射のピークとが一致した場合、前記光は前記少なくとも1つの弾性体材料を透過する、光スイッチ。
- 前記少なくとも1つの弾性体材料は、面内に格子状に配置されており、前記少なくとも1つの弾性体材料のそれぞれは、光ファイバーによって接続されている、請求項12項に記載の光スイッチ。
- 弾性体材料を用いて物体の歪みを検出する方法であって、前記弾性体材料は、空間的かつ周期的に配列された単分散粒子と、前記単分散粒子間および前記単分散粒子の周りに位置する弾性体とを含み、前記方法は、前記弾性体材料を前記物体に適用する工程と、前記物体に付与された前記弾性体材料のブラッグ反射の波長を測定する工程と、前記測定されたブラッグ反射の波長に基づいて前記物体の歪を算出する工程とを包含する歪み検出方法。
- 前記算出する工程が、前記ブラッグ反射の波長λと前記弾性体材料の伸び率dL/Lとのλ∝dL/L(ただし、0≦dL/L(%)≦20)を用いる、請求項14に記載の歪み検出方法。
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