JP2012036134A - 刺激応答性化合物、およびアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】変形率が高く、かつ、方向性のある変形が可能な刺激応答性化合物およびそれを用いたアクチュエータを提供すること。
【解決手段】本発明の刺激応答性化合物は、回転軸として機能する結合を有するユニットＡと、ユニットＡの第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、ユニットＡの第２の結合部位に配置された第２のユニットＢと、第１のユニットＢに第１の連結基を介して結合した液晶性を有する第１のユニットＣと、第２のユニットＢに第２の連結基を介して結合した液晶性を有する第２のユニットＣとを有し、第１のユニットＢと第２のユニットＢとは、酸化還元反応によって結合するものであり、第１のユニットＣおよび第２のユニットＣは、複数のベンゼン環を備え、複数のベンゼン環の少なくとも１つのベンゼン環は、互いにメタ位となる位置に結合した、ベンゼン環を含む官能基を有していることを特徴とする
【選択図】図１

Description

本発明は、刺激応答性化合物、およびアクチュエータに関する。

近年、医療分野やマイクロマシン分野等において、小型のアクチュエータの必要性が高まっている。
従来のアクチュエータは、イオン交換膜を用いたものが主流であり（例えば、特許文献１参照）、これは、イオンの移動により材料が収縮・膨潤するもので、イオンの拡散速度により動作が支配されるため、高速応答化には課題が多い。また、アクチュエータの動作に方向性を持たせる方法が無く、高効率で動作させるためにも異方的な動きを実現できるものが求められている。

特開２００５−２２４０２７号公報

本発明は、変形率が高く、かつ、方向性のある変形が可能な刺激応答性化合物およびそれを用いたアクチュエータを提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の刺激応答性化合物は、回転軸として機能する結合を有するユニットＡと、
前記ユニットＡの第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、
前記ユニットＡの第２の結合部位に配置された第２のユニットＢと、
前記第１のユニットＢに第１の連結基を介して結合した液晶性を有する第１のユニットＣと、
前記第２のユニットＢに第２の連結基を介して結合した液晶性を有する第２のユニットＣと、を有し、
前記第１のユニットＢと前記第２のユニットＢとは、酸化還元反応によって結合するものであり、
前記第１のユニットＣおよび第２のユニットＣは、複数のベンゼン環を備え、
前記複数のベンゼン環の少なくとも１つのベンゼン環は、互いにメタ位となる位置に結合した、ベンゼン環を含む官能基を有していることを特徴とする。
これにより、低い電圧で変形することが可能な刺激応答性化合物を提供することができる。

本発明の刺激応答性化合物では、前記ユニットＡは、下記式（１）、下記式（２）、下記式（３）からなる群から選択される１種であることが好ましい。

これにより、刺激応答性化合物は、より円滑な変形（変位）が可能となり、より低電圧で駆動するものとなる。

本発明の刺激応答性化合物では、前記第１のユニットＢおよび前記第２のユニットＢは、下記式（４）で表される基であり、
前記第１の連結基および第２の連結基は、それぞれ、オルト位の位置に結合していることが好ましい。

これにより、反応条件を調整することで、ユニットＢ同士の結合状態と非結合状態とを可逆的にかつ容易に進行させることができる。また、反応性が高いため、刺激応答性化合物は、より円滑で、かつ低電圧で変形が可能となる。また、変位する速度をより速いものとすることができる。

本発明の刺激応答性化合物では、前記第１の連結基および前記第２の連結基は、エステル基、エーテル基、アミド基からなる群から選択される１種であることが好ましい。
これにより、変形の度合いをより大きくすることができるとともに、各ユニットＣの配向時における運動性能をより高いものとすることができる。
本発明の刺激応答性化合物では、前記第１のユニットＣおよび前記第２のユニットＣは、重合性官能基を有していることが好ましい。
これにより、より分子鎖の長い刺激応答性化合物を形成することができる。

本発明の刺激応答性化合物では、前記第１のユニットＣおよび前記第２のユニットＣの前記重合性官能基によって重合していることが好ましい。
これにより、分子の変形（変位）の度合いを大きくすることができ、より、強い力で駆動させることが可能となる。
本発明のアクチュエータは、本発明の刺激応答性化合物を用いて製造されたことを特徴とする。
これにより、低い電圧で変形することが可能なアクチュエータを提供することができる。

本発明の刺激応答性化合物の酸化還元反応前後の分子構造を説明するための図である。 本発明の刺激応答性化合物を用いたアクチュエータの一例を模式的に示す断面図である。 電圧印加により変形したアクチュエータの一例を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
《刺激応答性化合物》
まず、本発明の刺激応答性化合物の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の刺激応答性化合物の酸化還元反応前後の分子構造を説明するための図である。図１中、○等は官能基を意味し、線は結合を意味する。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の刺激応答性化合物は、回転軸として機能する結合を有するユニットＡと、ユニットＡの両末端（第１の結合部位Ａ１および第２の結合部位Ａ２）に結合した２つのユニットＢ（第１のユニットＢ１と第２のユニットＢ２）と、各ユニットＢに結合した２つのユニットＣ（第１のユニットＣ１と第２のユニットＣ２）とを有している。

刺激応答性化合物は、刺激によって、分子の形状を変形（変位）させる機能を有する化合物のことを指し、具体的には、アクチュエータやマイクロポンプ等の駆動部を構成する化合物である。
刺激応答性化合物を構成するユニットＡは、回転軸として機能する結合を有しており、当該結合を軸に回転可能となっている基（ユニット）である。このようなユニットを有することにより、刺激応答性化合物は、変形（変位）可能となっている。
ユニットＡとしては、例えば、２つの芳香環が結合した基を用いることができるが、中でも、下記式（１）から（３）なる群から選択される１種の基であるのが好ましい。このような基をユニットＡとして用いることにより、刺激応答性化合物は、より円滑な変形（変位）が可能となり、より低電圧で駆動するものとなる。

ユニットＢ（第１のユニットＢと第２のユニットＢ）は、図１（ａ）に示すように、ユニットＡの回転軸方向の両末端（ユニットＡの第１の結合部位Ａ１および第２の結合部位Ａ２）に結合している基である。すなわち、第１のユニットＢ１がユニットＡの第１の結合部位Ａ１に、第２のユニットＢ２がユニットＡの第２の結合部位Ａ２に結合している。
また、ユニットＢは、ユニットＢ同士で酸化還元反応によって結合を形成する基である（図１（ｂ）参照）。言い換えると、外部から電子の受け取る（還元される）ことによって結合を形成する基である。また、外部に電子を放出する（酸化される）ことで結合を解除する基である。

ユニットＢとしては、ユニットＢ同士（第１のユニットＢ１と第２のユニットＢ２と）で酸化還元反応によって結合を形成する基であれば、特に限定されないが、ユニットＢは、下記式（４）で表される基であるのが好ましい。これにより、反応条件を調整することで、ユニットＢ同士の結合状態と非結合状態とを可逆的にかつ容易に進行させることができる。また、反応性が高いため、刺激応答性化合物は、より円滑で、かつ低電圧で変形が可能となる。

ユニットＣ（第１のユニットＣ１と第２のユニットＣ２）は、ユニットＢ（第１のユニットＢ１および第２のユニットＢ２）に結合した基であり、液晶性を有する基である。
図１に示すように、第１のユニットＣ１は、第１の連結基Ｘ１を介して第１のユニットＢ１に結合しており、第２のユニットＣは、第２の連結基Ｘ２を介して第２のユニットＢ１に結合している。ユニットＣが液晶性を有することにより、ユニットＣは、液晶の配向技術を用いることにより、一定の配向性を示す。これにより、激応答性化合物は、その駆動に一定の方向性を有するものとなる。また、連結基Ｘを介して結合していることにより、変位時における運動性能を高いものとすることができ、低電圧で変形することができる。

ユニットＣは、複数のベンゼン環を有しており、かつ、複数のベンゼン環の少なくとも１つのベンゼン環が、互いにメタ位となる位置に結合した、ベンゼン環を含む官能基を有している。言い換えると、複数のベンゼン環の少なくとも１つのベンゼン環における、ユニットＣの分子の主鎖となる結合同士が、互いにメタ位に位置している。
このような構成とすることで、ユニットＣの分子構造は、図１に示すように、屈曲した構造となる。これにより、屈曲していない場合と比較して、変位の幅（度合い）を大きくすることができる。

ユニットＣとしては、特に、複数のベンゼン環のうちの１つのベンゼン環にハロゲン原子が１つ以上結合した基を用いるのが好ましい。これにより、ユニットＣの配向時における運動性能をより高いものとすることができ、配向への移行の速度がより早くなる。その結果、刺激応答性化合物は、より速くかつやり円滑に変形（変位）が可能となり、さらに低電圧で駆動するものとなる。

また、ユニットＣ（第１のユニットＣと第２のユニットＣ）は、重合性官能基を有しているのが好ましい。この重合性官能基によって、刺激応答性化合物が重合することで、より分子鎖の長い刺激応答性化合物を形成することができる。また、このように分子鎖を長くすることにより、分子の変形（変位）の度合いをさらに大きくすることができ、より強い力（応力）で駆動させることが可能となる。

また、第１のユニットＢ１および第２のユニットＢ２が、上記式（４）で表される基である場合、第１の連結基Ｘ１および第２の連結基Ｘ２は、上記式（４）で表される基のオルト位の位置に結合しているのが好ましい。これにより、低電圧で変位させることができるとともに、変位する速度をより速いものとすることができる。
また、第１の連結基Ｘ１および第２の連結基Ｘ２としては、特に限定されないが、エステル基、エーテル基、アミド基からなる群から選択される１種であるのが好ましい。これにより、変形の度合いをより大きくすることができるとともに、各ユニットＣの配向時における運動性能をより高いものとすることができる。
ユニットＣ（第１のユニットＣと第２のユニットＣ）の具体例としては、以下のようなものが挙げることができるが、これに限定されず、例えば、複数のベンゼン環がエステル基、エーテル基、アミド基等によって結合されたものであってもよい。

以上説明したように、本発明の刺激応答性化合物は、軸回転可能なユニットＡと、ユニットＡの両末端（第１の結合部位および第２の結合部位）に結合した２つのユニットであって、酸化還元反応によりユニット同士で結合を形成することが可能なユニットＢ（第１のユニットＢと第２のユニットＢ）と、ユニットＢ（第１のユニットＢと第２のユニットＢ）に連結基（第１の連結基て第２の連結基）を介して結合した２つのユニットであって、液晶性を有し、かつ、屈曲した分子構造のユニットＣ（第１のユニットＣと第２のユニットＣ）とを有している点に特徴を有している。このような特徴を有することにより、低電力で変形（変位）させることができるとともに、変位の度合いを比較的大きくすることができる。これは、以下の理由によるものと考えられる。

すなわち、液晶性を有するユニットＣによって複数の刺激応答性化合物分子が配向した（並んだ）状態で存在することができ、その揃った状態で電圧等を印加して１分子内のユニットＢ同士が酸化還元反応により結合する（架橋する）。このように、ユニットＣの配向性（液晶性）とユニットＢの刺激による結合性とを利用することで、図１（ａ）に示す状態から、図１（ｂ）に示す状態へと確実に変形（変位）することができる。特に、ユニットＣの配向とユニットＢ同士の結合は、低い電圧で進行するので、低電圧で変形（変位）が可能となる。さらに、ユニットＣが屈曲した分子構造をしているので、変位した際の変位幅は大きいものとなる。

なお、ユニットＣが重合性官能基を利用して重合した刺激応答性化合物を用いた場合、上述したように、低電圧で、さらに大きな変形が可能となる。
すなわち、電圧を印加する前（酸化還元反応が進行する前）は、図２（ａ）に示すように、長い分子が伸びた状態で存在している。そこへ電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、ユニットＡを軸に回転し、隣接するユニットＢ同士が酸化還元反応により結合し、さらに、液晶性のユニットＣが配向することにより、長い分子が折りたたまれた状態となる。このため、変位の度合いを大きなものとすることができる。

《アクチュエータ》
次に、上述した刺激応答性化合物を用いたアクチュエータについて詳細に説明する。
図２は、本発明の刺激応答性化合物を用いたアクチュエータの一例を模式的に示す断面図、図３は、電圧印加により変形したアクチュエータの一例を示す断面図である。
図１に示すように、アクチュエータ１００は、本発明の刺激応答性化合物で構成された変形層１０と、当該変形層１０の両面に設けられた電極１１とを有している。すなわち、アクチュエータ１００は、変形層１０を電極１１で挟持した構造となっている。

変形層１０は、上述した刺激応答性化合物で構成されており、電圧を印加することで、変形する層である。
電極１１は、変形層１０に電圧を印加する機能を有している。
また、電極１１は、変形層１０の変形に追従するために、屈曲性を備えている。
また、電極１１の、変形層１０と接する面には、ラビング処理等の配向処理が施されている。これにより、刺激応答性化合物の液晶性官能基を好適に配向させることができる。また、これにより、変形層１０の変形（膨張・収縮）に異方性を発現させることができる。

このような電極１１を構成する材料としては特に限定されないが、カーボンナノチューブを用いるのが好ましい。これにより、変形層１０の変形により確実に追従することができる。
このような構造のアクチュエータ１００において、電極１１に電圧を印加すると、変形層１０の一方の電極１１と接している側では、酸化反応が進み膨張し、変形層１０の他方の電極１１と接している側では、還元反応が進み収縮する。その結果、図３に示すように、還元反応が生じた方向に屈曲する。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
（実施例）
刺激応答性化合物を用いて、図２に示すようなアクチュエータを作成した。
アクチュエータは、刺激応答性化合物を溶媒に溶解させ、それをシャーレ上に塗布・乾燥し、乾燥物（変形層）を３ｃｍ×２ｃｍの大きさに切り取り、走査電子顕微鏡の試料作成用スパッタマシンを用いて、変形層の両面に金をスパッタして接合し、アクチュエータを得た。条件は、片面当たり１０ｍＡで３０分とした。
なお、刺激応答性化合物は以下のようにして合成したものを用いた。

［ユニットＡおよびＢの合成および連結基Ｘの導入］
ブロモチオフェンを原料として亜鉛、ニッケルの触媒を用いた２量化、臭素化を行い、ＤＭＦによるアルデヒド基の導入（ホルミル化）を行った。
次に、アルデヒド基の保護を行い、ブチルリチウムと水により臭素を水素に変換した。
次に、脱保護を行い、酸触媒存在下、ベンゼンジチオールと反応させ２，３−ジクロロ−５，６−ジシアノ−ｐ−ベンゾキノン（ＤＤＱ）で処理し、４フッ化ホウ素を加え、ユニットＡとユニットＢが結合した化合物を得た。
次に、得られた化合物のベンゼンジチオールのベンゼン環のオルト位の水素をブチルリチウムを用いて引き抜き、オルト位を陰イオン化し、二酸化炭素と接触させた後、酸で処理することにより、下記式（６）で表される化合物を得た。

［ユニットＣの合成］
まず、ヒドロキシ安息香酸のカルボキシル基をエチル化しエチルエーテルとした。次にアルキレンハライドと塩基存在下で反応させた。加水分解によりカルボン酸にした後、塩化チオニルで処理することにより酸クロリドに変換した。
その後、ジヒドロキシビフェニルと、上記ヒドロキシ安息香酸と、ヒドロキノンとのエステル化を行い、ユニットＣとなる化合物を得た。

［刺激応答性化合物の製造］
上記式（６）で表される化合物と、ユニットＣとなる化合物とを、ジシクロヘキシルカルボジイミド（ＤＣＣ）といった縮合剤を用いてエステル化することにより刺激応答性化合物を得た。
（比較例）
単層カーボンナノチューブ（カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製「ＨｉＰｃｏ」、含有Ｆｅ量１４重量％）（以下、ＳＷＮＴともいう）２５ｍｇ、５重量％ナフィオン溶液（アルドリッチ社製、低分子量直鎖アルコールと水（１０％）混合溶媒）２５ｍｌ、および試薬特級メタノール２５ｍｌを、ビーカーに秤量して混合した後、超音波洗浄器中で、超音波照射を１０時間以上行い、ＳＷＮＴとナフィオンの混合分散液を調製した。この分散液をガラス製のシャーレにキャストし、ドラフト中で一昼夜以上放置して溶媒を除去した。溶媒を除去した後、１５０℃で４時間、熱処理を行った。形成されたＳＷＮＴとナフィオンの複合体フィルムをシャーレから剥がした後、３ｃｍ×２ｃｍの大きさに切り取り、走査電子顕微鏡の試料作成用スパッタマシンを用いて、複合体フィルムの両面に金をスパッタして接合し、アクチュエータを得た。条件は、片面当たり１０ｍＡで３０分とした。

（応答性の評価）
評価は、実施例および比較例のアクチュエータを１ｍｍ×１５ｍｍの短冊状に切り取った試験片の端３ｍｍの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧５Ｖを加え、レーザー変位計を用いて、固定端から１０ｍｍの位置の変位を観測した。
その結果、本発明の刺激応答性化合物を用いたアクチュエータでは、大きく変位したが、比較例のアクチュエータは、変位の度合いが小さかった。

Ａ１…第１のユニットＡ Ａ２…第２のユニットＡ Ｂ１…第１のユニットＢ Ｂ２…第２のユニットＢ Ｃ１…第１のユニットＣ Ｃ２…第２のユニットＣ Ｘ１…第１の連結基 Ｘ２…第２の連結基 １００…アクチュエータ １０…変形層 １１…電極

Claims (7)

1. 回転軸として機能する結合を有するユニットＡと、
   前記ユニットＡの第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、
   前記ユニットＡの第２の結合部位に配置された第２のユニットＢと、
   前記第１のユニットＢに第１の連結基を介して結合した液晶性を有する第１のユニットＣと、
   前記第２のユニットＢに第２の連結基を介して結合した液晶性を有する第２のユニットＣと、を有し、
   前記第１のユニットＢと前記第２のユニットＢとは、酸化還元反応によって結合するものであり、
   前記第１のユニットＣおよび第２のユニットＣは、複数のベンゼン環を備え、
   前記複数のベンゼン環の少なくとも１つのベンゼン環は、互いにメタ位となる位置に結合した、ベンゼン環を含む官能基を有していることを特徴とする刺激応答性化合物。
2. 前記ユニットＡは、下記式（１）、下記式（２）、下記式（３）からなる群から選択される１種である請求項１に記載の刺激応答性化合物。
   

   
3. 前記第１のユニットＢおよび前記第２のユニットＢは、下記式（４）で表される基であり、
   前記第１の連結基および第２の連結基は、それぞれ、オルト位の位置に結合している請求項１または２に記載の刺激応答性化合物。
   

   
4. 前記第１の連結基および前記第２の連結基は、エステル基、エーテル基、アミド基からなる群から選択される１種である請求項１ないし３のいずれかに記載の刺激応答性化合物。
5. 前記第１のユニットＣおよび前記第２のユニットＣは、重合性官能基を有している請求項１ないし４のいずれかに記載の刺激応答性化合物。
6. 前記第１のユニットＣおよび前記第２のユニットＣの前記重合性官能基によって重合している請求項５に記載の刺激応答性化合物。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の刺激応答性化合物を用いて製造されたことを特徴とするアクチュエータ。

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