JP2012041282A - 刺激応答性化合物、アクチュエータおよび刺激応答性化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い電圧で変形（変位）すること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、また、刺激応答性化合物の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の刺激応答性化合物は、一対のアルキル鎖と一対のアルキル鎖の間を架橋する架橋部と一対のアルキル鎖の少なくとも一方に結合した液晶性官能基とを有し、架橋部は回転軸として機能する結合を有し、かつ、該結合の一端に位置する第１の基と結合の他端に位置する第２の基とを有するユニットＡと、第１の基の第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、第２の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢとを有し、架橋部は第１の基の第２の結合部位において一方のアルキル鎖と結合し、第２の基の第２の結合部位において他方のアルキル鎖と結合しており、第１のユニットＢと第２のユニットＢとが酸化還元反応によって結合す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、アクチュエータおよび刺激応答性化合物の製造方法等に関する。

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。
このような小型のアクチュエータは、小型であるとともに、低電圧で駆動することが求められている。このような低電圧化を実現するために種々の試みが行われている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、従来のアクチュエータでは、駆動電圧を十分に低くすることができておらず、所望の変形をさせるのに高い電圧が必要であった。

特開２００５−２２４０２７号公報

本発明は、その一態様において低い電圧で変形（変位）すること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ものであり、また、刺激応答性化合物の製造方法を提供するものである。

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、一対のアルキル鎖と、
前記一対のアルキル鎖の間を架橋する架橋部と、
前記一対のアルキル鎖の少なくとも一方に結合した液晶性官能基と、を有し、
前記架橋部は、回転軸として機能する結合を有し、かつ、該結合の一端に位置する第１の基と、前記結合の他端に位置する第２の基とを有するユニットＡと、
前記第１の基の第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、
前記第２の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢと、を有し、
前記架橋部は、前記第１の基の第２の結合部位において一方のアルキル鎖と結合し、前記第２の基の第２の結合部位において他方のアルキル鎖と結合しており、
前記第１のユニットＢと前記第２のユニットＢとが、酸化還元反応によって結合す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。

本発明の刺激応答性化合物では、前記液晶性官能基は、複数の環構造を有していることが好ましい。
これにより、刺激応答性化合物は、その駆動に一定の方向性を有するものとなる。
本発明の刺激応答性化合物では、前記複数の環構造のうち１つの環構造にハロゲン原子が１つ以上結合していることが好ましい。
これにより、液晶性官能基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、より速くかつより円滑に変形（変位）が可能となり、さらに低電圧で駆動するものとなる。
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製造方法は、回転軸として機能する結合を有し、かつ、該結合の一端に位置する第１の基と、前記結合の他端に位置する第２の基とを有するユニットＡと、前記第１の基の第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、前記第２の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢと、前記第１の基の第２の結合部位および前記第２の基の第２の結合部位に結合した重合性官能基とを有する第１モノマーと、液晶性官能基と少なくとも１つの重合性官能基とを有する第２モノマーとを共重合させる工程を有することを特徴とする。
これにより、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を提供することができる。

本発明の刺激応答性化合物の製造方法では、前記重合性官能基は、ビニル基、アクリル基、メタクリル基からなる群から選択されることが好ましい。
これにより、刺激応答性化合物をより容易に得ることができる。また、得られる刺激応答性化合物の運動性を高いものとすることができ、変形の度合い（変形率）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。
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。

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、○および□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、一対のアルキル鎖と、これらアルキル鎖を架橋する架橋部と、一対のアルキル鎖の一方に結合した液晶性官能基とを有している。なお、図では、説明をわかりやすくするため、架橋部および液晶性官能基が１つずつ記載されているが、実際には複数の架橋部および液晶性官能基が存在している。

架橋部は、図１（ａ）に示すように、回転軸として機能する結合を有し、当該結合の一端に位置する第１の基（図中、Ａ_１）と、結合の他端に位置する第２の基（図中、Ａ_２）とを有するユニットＡと、第１の基の第１の結合部位に配置された第１のユニットＢ（図中、Ｂ_１）と、第２の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢ（図中、Ｂ_２）とを有している。

ユニットＡは、回転軸として機能する結合を有しており、当該結合の両端にそれぞれ第１の基および第２の基が結合している。そして、当該結合を軸に回転可能となっている。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。

第１のユニットＢは、図１（ａ）に示すように、ユニットＡの第１の基の第１の結合部位に結合している。また、第２のユニットＢは、図１（ａ）に示すように、ユニットＡの第２の基の第１の結合部位に結合している。
また、第１のユニットＢおよび第２のユニット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（第１のユニットＢと第２のユニットＢ）としては、ユニットＢ同士（第１のユニットＢと第２のユニットＢ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（第１のユニットＢと第２のユニット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。

また、刺激応答性化合物は、図１（ａ）に示すように、液晶性官能基を有している。この液晶性官能基は、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。このため、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。
液晶性官能基としては、液晶性を示す基であれば特に限定されず、複数の環構造を有する基、例えば、複数のフェニル基をエステル基で連結したもの、ベンゼン環若しくはシクロヘキサン環が直接連結したものが挙げられる。

液晶性官能基としては、特に、複数の環構造のうちの１つの環構造にハロゲン原子が１つ以上結合した基を用いるのが好ましい。これにより、液晶性官能基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。
なお、本実施形態では、液晶性官能基が一方のアルキル鎖のみに結合している場合について説明したが、これに限定されず、両方のアルキル鎖に結合していてもよい。
液晶性官能基の具体例としては、以下のようなものが挙げることができる。

以上説明したように、本発明の刺激応答性化合物は、一対のアルキル鎖と、上述したような軸回転可能なユニットＡおよび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）を備えた架橋部と、液晶性官能基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、液晶性官能基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することで、ユニットＡが軸回転、さらに、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、液晶性官能基の配向性（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、液晶性官能基の配向とユニットＢ同士の結合は、低い電圧で進行するので、低電圧で、大きな変形（変位）が可能となる。

《刺激応答性化合物の製造方法》
次に、上述したような刺激応答性化合物の製造方法について説明する。
上述したような刺激応答性化合物は、上述したようなユニットＡと、ユニットＡの第１の基の第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の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢと、ユニットＡの第１の基の第２の結合部位およびユニットＡの第２の基の第２の結合部位に結合した重合性官能基とを有する第１モノマーと、液晶性官能基と少なくとも１つの重合性官能基とを有する第２モノマーとを任意の比率で共重合させることにより、製造することができる。

重合性官能基としては、特に限定されないが、ビニル基、アクリル基、メタクリル基からなる群から選択される少なくとも１種であるのが好ましい。これにより、刺激応答性化合物をより容易に得ることができる。また、得られる刺激応答性化合物の運動性を高いものとすることができ、変形の度合い（変形率）をより高いものとすることができる。
第１モノマーの具体例としては、例えば、下記式（６）〜（８）を挙げることができる。

また、第２モノマーの具体例としては、例えば、下記式（９）〜（１１）を挙げることができる。

《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２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刺激応答性化合物層１０と、当該刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層１０を電極１１で教示した構造となっている。

刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層１０に電圧を印加する機能を有している。
また、電極１１は、刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層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、刺激応答性化合物層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１）
刺激応答性化合物を用いて、図３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（刺激応答性化合物層）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、刺激応答性化合物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。

［刺激応答性化合物の製造］
第１モノマーとして、上記式（６）で表される化合物を用意した。
また、第２モノマーとして、上記式（９）で表される化合物を用意した。
第１モノマーと、第２モノマーと、重合開始剤と、アゾビス（イソブチロニトリル）（ＡＩＢＮ）１ｍｏｌ％とをトルエンに溶解させ、紫外線を照射させ一晩攪拌した。
その後、反応溶液をメタノール中に加え沈殿を集めた。
得られた沈殿をテトラヒドロフランに溶解させ、メタノール中に加えた。この操作を残留モノマーがなくなるまで繰り返した後、乾燥させた。
以上により、刺激応答性化合物を得た。

（実施例２）
第１モノマーとして、上記式（７）で表される化合物を用い、第２モノマーとして、上記式（１０）で表される化合物を用いた以外は、前記実施例１と同様にして刺激応答性化合物を製造し、図３に示すようなアクチュエータを作成した。
（実施例３）
第１モノマーとして、上記式（８）で表される化合物を用い、第２モノマーとして、上記式（１１）で表される化合物を用いた以外は、前記実施例１と同様にして刺激応答性化合物を製造し、図３に示すようなアクチュエータを作成した。

（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。

Ａ…ユニットＡ Ｂ…ユニットＢ １００…アクチュエータ １０…刺激応答性化合物層 １１…電極

Claims (8)

1. 一対のアルキル鎖と、
   前記一対のアルキル鎖の間を架橋する架橋部と、
   前記一対のアルキル鎖の少なくとも一方に結合した液晶性官能基と、を有し、
   前記架橋部は、回転軸として機能する結合を有し、かつ、該結合の一端に位置する第１の基と、前記結合の他端に位置する第２の基とを有するユニットＡと、
   前記第１の基の第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、
   前記第２の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢと、を有し、
   前記架橋部は、前記第１の基の第２の結合部位において一方のアルキル鎖と結合し、前記第２の基の第２の結合部位において他方のアルキル鎖と結合しており、
   前記第１のユニットＢと前記第２のユニットＢとが、酸化還元反応によって結合す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）で表される基である請求項１または２に記載の刺激応答性化合物。
   

   
4. 前記液晶性官能基は、複数の環構造を有している請求項１ないし３のいずれかに記載の刺激応答性化合物。
5. 前記複数の環構造のうち１つの環構造にハロゲン原子が１つ以上結合している請求項４に記載の刺激応答性化合物。
6. 請求項１ないし５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。
7. 回転軸として機能する結合を有し、かつ、該結合の一端に位置する第１の基と、前記結合の他端に位置する第２の基とを有するユニットＡと、前記第１の基の第１の結合部位に配置された第１のユニットＢと、前記第２の基の第１の結合部位に配置された第２のユニットＢと、前記第１の基の第２の結合部位および前記第２の基の第２の結合部位に結合した重合性官能基とを有する第１モノマーと、液晶性官能基と少なくとも１つの重合性官能基とを有する第２モノマーとを共重合させる工程を有することを特徴とする刺激応答性化合物の製造方法。
8. 前記重合性官能基は、ビニル基、アクリル基、メタクリル基からなる群から選択される少なくとも１種である請求項７に記載の刺激応答性化合物の製造方法。

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