JP4538977B2 - Inorganic organic composite material manufacturing method, actuator manufacturing method, and artificial muscle manufacturing method - Google Patents

Inorganic organic composite material manufacturing method, actuator manufacturing method, and artificial muscle manufacturing method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無機有機複合材料およびその製造方法ならびにアクチュエータおよびその製造方法ならびに人工筋肉およびその製造方法に関する。より具体的には、この発明は、外場、特に電場に応答して変位を生じるデバイスの実現に有用なものであり、例えば、エレクトロニクス、ロボティクス、医療などの分野で利用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
現在実用化されているアクチュエータとしては、電気駆動による電磁モータや電歪素子(圧電素子)、流体圧駆動による油圧アクチュエータや空気圧アクチュエータがほとんどである。実際、工場における種々の自動化機器や各種輸送機器などで用いられる限りは、これら既存のアクチュエータで実用上十分な特性が得られている。しかしながら、例えば、現在開発が急がれている自律型ロボット用アクチュエータでは、複数のアクチュエータが協調して三次元的自由度を有した動作を行う必要があり、このような場合、一つのアクチュエータの発生力および自重が他のアクチュエータの負荷となるため、その自由度が増すにつれ、制御困難性や総重量が飛躍的に増大する(高森年著、「アクチュエータ革命」工業調査会、1987)。
【0003】
このような利用においては、生体が有する筋肉が、バランスのよい優れたアクチュエータといえる。具体的な数値を挙げると、変位は収縮方向に50%、応答時間は30ms、発生張力は2〜10kg/cm2 、発生出力は単位重量当たり最大で0.1〜0.3W/gとなり、これら全てを満たすアクチュエータは現在のところ開発されていない(応用物理 第60巻第3号(1991)p.258 )。さらに、柔軟であることも生体筋の大きな特質である。
【0004】
この生体筋類似の人工筋肉として近年注目されているものに刺激応答性高分子ゲルがあり、この分野の研究が活発に行われている。この高分子ゲルは、電場、温度、pH、溶液濃度などの外部環境の変化により、ゲルに含まれる溶媒が移動し、ゲルの体積変化を生じることにより駆動する。このアクチュエータシステムは、軽く柔軟であり、無騒音、燃焼に伴う排気ガスを発生しないなどの多くの利点を有する。しかしながら、現在開発中の高分子ゲルでは、主な問題点として下記の問題点が指摘されている。
【0005】
(1)その構造が異方性を有しないので、三次元的な伸縮(膨潤・収縮)となってしまい、一次元的に伸縮可能な構造(例、生体筋)に比べてエネルギー効率が低い。
(2)力学的強度や耐久性が低い。
(3)駆動メカニズムが溶媒移動による体積変化であるため、応答速度が溶媒の拡散に律速され、遅い。
【0006】
上記(3)の問題点の解決策として、電場駆動による高分子液晶あるいは液晶エラストマーを主構成要素に用いた液晶アクチュエータが報告されている(例えば、特開平3−5720号公報、特開平3−7079号公報、特開平6−324312号公報)。この液晶アクチュエータの駆動メカニズムは液晶の電場による配向変化を高分子鎖に伝達して変形を起こさせるものであるので、溶媒拡散に律速されるものに比べて応答速度が速いという利点がある。より詳細には、特開平3−5720号公報および特開平3−7079号公報では、高分子液晶あるいは液晶エラストマーを二つの電極によって挟んだ構造からなる液晶アクチュエータが、特開平6−324312号公報では、液晶エラストマーが低分子液晶物質により膨潤された、いわゆる液晶ゲルを素材としたアクチュエータが開示されている。しかしながら、これらの液晶アクチュエータでは、マトリックスとなる高分子部分が異方性を有していないために、力および変位を取り出す際の効率が低下していることが問題点と考えられる。
【0007】
一方、現在実用化されているアクチュエータの一つに、電場印加により歪みを生じ、駆動する電歪素子がある。この電歪素子は一般に、無機材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とするセラミックスで形成されており、強度・耐久性に優れ、応答速度が速いという利点を有するが、変位が小さく(0.1%程度)、柔軟性に欠けるという問題点を有する。
【0008】
しかしながら、本発明者らの知見によれば、これまでの液晶アクチュエータは高分子をマトリックスに用いているために、液晶分子の電場配向に伴うエネルギーを効率的に機械エネルギーに変換することができない。エネルギーを効率的に力に変換するためには、一方向にのみ伸縮が起きるような構造異方性を有したマトリックスを利用することが考えられるが、そのようなマトリックスを有した液晶アクチュエータはこれまで報告されていない。さらに、従来の電歪式無機アクチュエータは、柔軟性に乏しく、変位が小さいという問題点を有する。
【0009】
さらに、無機有機複合系インターカレーション物質を用いた変位素子については、特開平05−110153号公報および特開平06−125120号公報に開示されている。これらの変位素子では、無機層状物質の層間へ極性有機物質を挿入した化合物に外部電場を印加することにより、極性有機物質の配向角度を変化させ、駆動を行う。しかしながら、これらの変位素子は全固体型であり、上述の電歪式無機アクチュエータと同様に柔軟性に欠ける。
【0010】
インターカレーションの手法を利用してアクチュエータを実現する技術については、特開平2−131376号公報および特開平4−127885号公報に開示されている。これらのアクチュエータはともに、ホスト材料へのゲストイオンの出し入れによる体積変化を駆動力としている。より詳細には、特開平2−131376号公報に開示されたアクチュエータは電解質であるポリエチレンオキサイドを黒鉛層間化合物でサンドイッチした構造を有し、その層間をLiが輸送されることにより屈曲が生じるものである。一方、特開平4−127885号公報に開示されたアクチュエータは、正/負極にAg0.7 2 5 を用い、固体電解質に4AgI−Ag2 WO4 を用いたものである。これらの公報のいずれにおいても、ゲストとして液晶分子はもちろん他の有機分子についても言及されておらず、この発明とは別異のものと考えられる。
【0011】
液晶とインターカレーション化合物(例えば、粘土鉱物)との複合化については、特開平07−278549号公報、特開平07−318982号公報、特開平08−045662号公報、特開平08−015663号公報、特開平08−269453号公報、特開平08−302351号公報および特開平10−148849号公報に開示されている。これらの公報では、粘土鉱物などの偏平形状粒子に液晶親和性を持たせ、それを液晶マトリックス中に分散させることによってできる液晶組成物や、メモリー性・高速応答性を有する光散乱型調光素子、記録媒体・記録素子、温度応答型光シャッターなどへの応用について開示されているが、アクチュエータへの応用や変位に関しては言及されていない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、これまでは、強靭性、柔軟性、得られる変位の大きさ、応答速度、変位を取り出す際のエネルギー効率などの諸点で満足し得る性能を得ることは困難であった。
従って、この発明が解決しようとする課題は、インターカレーションの手法により無機層状物質と液晶性を示す有機分子とを分子レベルで複合化することにより、上記のような従来技術の欠点を改善し、強靭性、柔軟性、得られる変位の大きさ、応答速度、変位を取り出す際のエネルギー効率などの諸点で満足し得る性能を得ることができる新規な無機有機複合材料およびその製造方法ならびにこの無機有機複合材料を用いた新規なアクチュエータおよび人工筋肉ならびにそれらの製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来技術が有する上記課題を解決するために、理論・実験の両面から鋭意検討を行った。その結果、上記課題を一挙に解決するためには、インターカレーションの手法により無機層状物質の層間に液晶を挿入し、無機層状物質と液晶分子とを分子レベルで複合化した無機有機複合材料(インターカレーション化合物)を用いてアクチュエータを構成することが有効であるという結論に到達し、その無機有機複合材料を実現すべく鋭意研究を行い、合成に成功したものである。そして、この無機有機複合材料を用いて、無機物の強靱性と有機物の柔軟性とを兼ね備えた全く新規な構成を有するアクチュエータを創出した。これまで、このような無機層状物質に液晶をインターカレートした化合物をアクチュエータに用いることについての報告は皆無であった。
【0014】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第1の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなる無機有機複合材料において、
少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる
ことを特徴とするものである。
【0015】
この発明の第2の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料の製造方法であって、
ゲスト有機物質をホスト無機層状物質の層間にインターカレートするようにした
ことを特徴とするものである。
【0016】
この発明の第3の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いた
ことを特徴とするアクチュエータである。
【0017】
この発明の第4の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いたアクチュエータの製造方法であって、
ゲスト有機物質をホスト無機層状物質の層間にインターカレートするようにした
ことを特徴とするものである。
【0018】
この発明の第5の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いた
ことを特徴とする人工筋肉である。
【0019】
この発明の第6の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類の上記ゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いた人工筋肉の製造方法であって、
ゲスト有機物質をホスト無機層状物質の層間にインターカレートするようにした
ことを特徴とするものである。
【0020】
この発明において、「 液晶性を有する有機分子」 とは、ある有限温度範囲で液晶性を示す有機分子のことを言い、ネマティック相、コレステリック相、スメクティック相のいずれの相をとるものでもよい。
【0021】
この発明において、無機有機複合材料は、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層である場合、言い換えれば、ホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子からなる有機分子層のみが存在する場合もあるし、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、層に平行に配置された、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層を含む複数の有機分子層である場合もある。後者の場合の複数の有機分子層は少なくとも二種類以上の有機分子層を含み、典型的には、第1の有機分子層、この第1の有機分子層と異なる第2の有機分子層および第1の有機分子層と同一の第3の有機分子層からなり、その第2の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなる。
【0022】
これらの複数の有機分子層は、インターカレーションの手法を用いて無機有機複合材料の製造を容易に行う観点から、好適には、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層とこの有機分子層を挟む、液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層とを含む。具体的には、例えば、これらの複数の有機分子層は、第1の有機分子層、この第1の有機分子層と異なる第2の有機分子層および第1の有機分子層と同一の第3の有機分子層からなり、第2の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなり、第1の有機分子層および第3の有機分子層が上記液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる。この場合、好適には、液晶性を有する有機分子と液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子とは、少なくとも一つの同一の官能基および/または互いに類似の構造を有する。この官能基は、例えば、アミノ基、アルキル基、アリル基、スルホン基、シアノ基およびカルボニル基からなる群より選ばれた少なくとも一つの官能基である。
【0023】
この発明において、電場印加により液晶性を有する有機分子の配向変化を起こさせる観点から、好適には、液晶性を有する有機分子の炭素位置の少なくとも1箇所に極性官能基が少なくとも1個結合している。この極性官能基は、例えば、−NH2 、NR2 (ただし、Rはアルキル基)、−NPh2 (ただし、Phはフェニル基)、−SO3 HおよびCNからなる群より選ばれた少なくとも一種類の極性官能基である。
【0024】
また、ホスト無機層状物質は、その層間に液晶性を有する有機分子を挿入可能なものであれば基本的には何を用いてもよい。例えば、アミン系分子の挿入が可能な無機層状物質であれば、二段階インターカレーション法によってこの液晶性を有する有機分子を挿入することが可能である。アミン系分子のインターカレーションが報告されている無機層状物質としては、スメクタイト、バーミキュライト、雲母などの層状粘土鉱物を筆頭に、TaS2 などの金属カルコゲン化物、FeOClなどの金属オキシハロゲン化物、V2 Oなどの金属酸化物、Zr(HPO4 2 ・nH2 O(リン酸ジルコニウム)などの金属リン酸塩などがある。従って、少なくとも上記無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子を挿入することは可能である。これらのホスト無機層状物質をまとめて示すと下記のとおりである。これらの層状無機物質のほとんどは、上記の層状無機物質と性質が似かよっているので、アミン系分子のインターカレーション、さらには液晶性を有する有機分子のインターカレーションが可能と考えられる。
【0025】
(1)層状ペロブスカイト・ニオブ系
KLaNb2 7 、KCa2 Nb3 10、RbCa2 Nb3 10、CsCa2 Nb3 10、KNaCa2 Nb4 13
(2)層状ペロブスカイト銅系
Bi2 Sr2 CaCu2 8 、Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 10
(3)層状チタン・ニオブ酸塩
KTiNbO5 、K2 Ti4 9 、K4 Nb6 17
(4)層状岩塩酸化物
LiCoO2 、LiNiO2
(5)遷移金属酸化物ブロンズ系
MoO3 、V2 5 、WO3 、ReO3
(6)遷移金属オキソ塩化物
FeOCl、VOCl、CrOCl
(7)層状ポリケイ酸塩
Na2 O−4SiO2 −7H2 Oなど
(8)層状粘土鉱物
スメクタイト、バーミキュライト、マイカ雲母など
(9)ハイドロタルサイト
Mg6 Al2 (OH)16CO3 −H2
(10)遷移金属カルコゲナイド
TaSe2 、TaS2 、MoS2 、VSe2
(11)リン酸ジルコニウム塩
Zr(HPO4 2 ・nH2
(12)グラファイト

などである。これらの無機物質の多くは二次元性が強く、結晶合成時にc軸方向に配向しやすい。また、大きな結晶が得られないものでも、その微結晶を含んだ溶液をキャストすることにより高度にc軸配向した膜が得られるものが多い。
【0026】
このホスト無機層状物質は、電圧印加により無機層状物質の層間に存在する液晶性を有する有機分子の配向特性を変化させ、層間隔を変化させるが、この層間隔変化をマクロな現象として効率的に取り出すためには、最も好適には単結晶、典型的には一辺の長さが1μm以上の単結晶であるが、c軸配向に好適には高度に配向したバルク多結晶または薄膜の形状を有するものであってもよい。
【0027】
次に、液晶性を有する有機分子からなるゲスト有機物質は、ある有限温度範囲で液晶性を示し、電圧印加によって配向変化を起こす有機分子からなるものであれば基本的には何を用いてもよい。特に、第二段階目以降に挿入する液晶性を有する有機分子については、アミノ基を有し、液晶性を有する有機分子と同一官能基あるいは類似構造を有する有機分子を第一段階目に入れるという考え方では、ほとんどの液晶性を有する有機分子が挿入可能である。このような液晶性を有する有機分子の代表的なものとしては、例えば、
【化1】

Figure 0004538977
【化2】
Figure 0004538977
【化3】
Figure 0004538977
に示すシッフ塩基系、
【化4】
Figure 0004538977
【化5】
Figure 0004538977
【化6】
Figure 0004538977
【化7】
Figure 0004538977
【化8】
Figure 0004538977
【化9】
Figure 0004538977
【化10】
Figure 0004538977
【化11】
Figure 0004538977
【化12】
Figure 0004538977
に示す安息香酸エステル系、
【化13】
Figure 0004538977
【化14】
Figure 0004538977
に示すビフェニル系、
【化15】
Figure 0004538977
に示すターフェニル系、
【化16】
Figure 0004538977
【化17】
Figure 0004538977
【化18】
Figure 0004538977
【化19】
Figure 0004538977
に示すシクロヘキシルカルボン酸エステル系、
【化20】
Figure 0004538977
【化21】
Figure 0004538977
【化22】
Figure 0004538977
に示すフェニルシクロヘキサン系、
【化23】
Figure 0004538977
に示すビフェニルシクロヘキサン系、
【化24】
Figure 0004538977
に示すシクロヘキシルシクロヘキサン系、
【化25】
Figure 0004538977
に示すビフェニルシクロヘキサン系、
【化26】
Figure 0004538977
【化27】
Figure 0004538977
に示すシクロヘキシルシクロヘキサンエステル系、
【化28】
Figure 0004538977
に示すビフェニルシクロヘキサン系、
【化29】
Figure 0004538977
【化30】
Figure 0004538977
に示すピリミジン系、
【化31】
Figure 0004538977
【化32】
Figure 0004538977
に示すジオキサン系、
【化33】
Figure 0004538977
【化34】
Figure 0004538977
【化35】
Figure 0004538977
に示すシクロヘキシルカルボン酸エステル系、
【化36】
Figure 0004538977
【化37】
Figure 0004538977
【化38】
Figure 0004538977
【化39】
Figure 0004538977
に示すシクロヘキシルエタン系、
【化40】
Figure 0004538977
【化41】
Figure 0004538977
に示すアゾキシ系、
【化42】
Figure 0004538977
に示すアゾ系、
【化43】
Figure 0004538977
【化44】
Figure 0004538977
に示すコレステロール系などがある。さらに、不斉炭素を有した強誘電性あるいは反強誘電性を示す液晶分子、主鎖あるいは側鎖にメゾゲン基を有する高分子液晶、有機金属錯体を用いた液晶分子なども利用可能である。なお、液晶は一種類のものを単独で用いても良く、二種類以上のものを混合して用いても良い。
【0028】
この発明において、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層である無機有機複合材料は、この少なくとも一層の有機分子層をホスト無機層状物質の層間に直接インターカレートすることにより製造することができる。例えば、ホスト無機層状物質がHTiNbO5 である場合を考えると、このHTiNbO5 は固体酸の性質を有するので、塩基性有機分子、特にアミン系分子がインターカレーションを容易に行うことができるものであり、これは一般的に知られた事実である。従って、アミン系液晶であれば、HTiNbO5 の層間に一段階のインターカレーションで直接挿入可能と考えられる。このアミン系液晶の分子の例を挙げると、下記のとおりである。これらは非対称な三級アミンをベンゼン環あるいはシクロヘキサン環と結合させた化合物である。
【0029】
【化45】
Figure 0004538977
【化46】
Figure 0004538977
【化47】
Figure 0004538977
【化48】
Figure 0004538977
【化49】
Figure 0004538977
【化50】
Figure 0004538977
【0030】
これらのアミン系液晶をHTiNbO5 結晶の層間に直接インターカレートする方法としては、具体的には、例えば、
(1)アミン系液晶を加熱して等方性液体とし、その中にHTiNbO5 結晶を入れる方法
(2)アミン系液晶を溶媒(例えば、水、エタノール、あるいはこれらの混合溶媒など)に溶かし、その中にHTiNbO5 結晶を入れる方法
を用いることができる。
以上のように、アミン系液晶とそれに適した挿入方法を選択すれば、二段階法を用いずに無機層間に直接液晶分子を挿入することができる。
【0031】
しかしながら、無機層状物質の層間に液晶分子を直接挿入するのが容易ではない場合がある。その場合には、二段階以上のインターカレーションを行う。例えば、まず第一段階目のインターカレーションでは、無機層状物質にインターカレーションが容易であり、かつ液晶と親和性がある有機分子を挿入する。このプロセスを経たインターカレーション化合物は、第二段階目のインターカレーションプロセスで液晶分子を挿入することが可能となる。例えば、無機層状物質としてHTiNbO5 (KTiNbO5 を塩酸処理することにより得られる)を用いた場合には、アミノ基を有した有機物(例えば、n−ブチルアミンなど)が第一段階目のインターカレーションで容易に挿入される。そして、このアミノ基を有した有機物が、例えばシアノビフェニル系液晶と親和性が良い場合には、第二段階目のインターカレーションで、この液晶を層間に挿入することが可能となる。
【0032】
すなわち、ホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子を直接インターカレートすることが困難な場合には、インターカレーションを二段階以上行うことにより無機有機複合材料を製造する。具体的には、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、層に平行に配置された、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層を含む複数の有機分子層である無機有機複合材料の製造方法は、複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層以外の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第1の有機分子層、この第1の有機分子層と異なる第2の有機分子層および第1の有機分子層と同一の第3の有機分子層からなる無機有機複合材料の製造方法は、第1の有機分子層および第3の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、第2の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。
【0033】
また、複数の有機分子層が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層とこの有機分子層を挟む、液晶性を示す有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層とを含む無機有機複合材料の製造方法は、液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第1の有機分子層、この第1の有機分子層と異なる第2の有機分子層および第1の有機分子層と同一の第3の有機分子層からなり、第2の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなり、第1の有機分子層および第3の有機分子層が液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる無機有機複合材料の製造方法は、第1の有機分子層および第3の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、第2の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。
【0034】
ここで、第一段階のインターカレーションで挿入する、液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子の働きについて説明する。一般に、同じような官能基(例えば、アミノ基、アルキル基、アリル基、スルホン基、シアノ基、カルボニル基など)を有する化合物は良く似た性質を示し、さらにその構造が類似すればするほど、その性質が似る傾向が強い。その結果として、同じような官能基や構造を有する化合物の液体あるいは液晶同士を接触させた場合には、それらの間で容易に混合が生じる。このような状態を、それら化合物間の親和性が高い(良い)という。例えば、シアノビフェニル系液晶に対しては、シアノビフェニル基を有する有機分子群の親和性が高いと考えられる。さらに、シアノビフェニルではなくシアノ基だけであっても比較的親和性が高いと考えられる。以上より、液晶分子を無機層間にインターカレートするためには、第一段階目に以下の特徴を有する有機分子を挿入し、第二段回目以降に液晶分子を挿入すれば良いと考えられる。
(1)第二段階目以降に挿入する液晶分子と同じ官能基を有する
(2)第二段階目以降に挿入する液晶分子と構造が類似している
【0035】
無機有機複合材料を製造する場合、典型的には、ホスト無機層状物質を所定の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間にゲスト有機物質をインターカレートし、必要に応じて、この工程を使用する有機物質の種類を変えて複数回行う。より具体的には、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、層に平行に配置された、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層を含む複数の有機分子層である無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第1の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層以外の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第2の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第1の有機分子層、この第1の有機分子層と異なる第2の有機分子層および第1の有機分子層と同一の第3の有機分子層からなる無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第1の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第1の有機分子層および第3の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第2の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第2の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。
【0036】
また、複数の有機分子層が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層とこの有機分子層を挟む、液晶性を示す有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層とを含む無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第1の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第2の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第1の有機分子層、この第1の有機分子層と異なる第2の有機分子層および第1の有機分子層と同一の第3の有機分子層からなり、第2の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなり、第1の有機分子層および第3の有機分子層が液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第1の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第1の有機分子層および第3の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第2の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第2の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。
【0037】
この場合、ホスト無機層状物質を有機物質の溶液または融液と接触させる時間を変化させることによりこのホスト無機層状物質の層間への有機物質の挿入量および層間隔を制御することができる。
【0038】
特に、第1の有機物質および第2の有機物質を用いて二段階のインターカレーションを行う場合、これらの第1の有機物質および第2の有機物質は互いに同一または互いに構造が類似する官能基を有する。これらの官能基は、例えば、アミノ基、アルキル基、アニル基、スルホン基、シアノ基およびカルボニル基からなる群より選ばれた少なくとも一つの官能基である。
【0039】
この発明において、ホスト無機層状物質の層間へのインターカレーションを行う場合、一般にその反応時間は、好適には、1時間以上、1カ月間以下とする。これは、反応時間が1時間より短いとインターカレーション反応が十分でなく、層間隔が一定にならないという不都合が起こりやすいからであり、一方、インターカレーション反応が平衡に達し、層間隔が一定になるのは、1カ月もあればよいからである。反応時間は、さらに好適には12時間〜3日とする。この程度の反応時間で十分にインターカレーションできる場合が多い。
【0040】
また、インターカレーションの際の温度については、好適には、例えば0℃以上200℃以下とする。下限温度については、温度が0℃より低いと、水溶液を用いている場合には水分の凝固という不都合が起こるからである。同様に、水溶液ではなく、有機物質のみからなる液体を用いているという場合には、有機物質の凝固点以下では不都合が生じる。上限温度については、温度が200℃より高いと、有機分子の熱分解、蒸発などの好ましくない反応が起こるためである。より好適には、温度を室温(20℃)以上、150℃以下とする。これは、温度が室温(20℃)より低いと、インターカレーション反応が速やかに進まない(遅い)という不都合が起こる一方、温度が150℃より高いと有機分子の熱分解や気化などの好ましくない反応が生じる可能性が高くなるためである。
【0041】
さらに、無機有機複合材料の組成については、好適には、ホスト無機層状物質(例えば、HTiNbO5 )1モルにつき、ゲスト有機物質の総量を0.01モル以上100モル以下とする。これは、ゲスト有機物質の総量が0.01モルよりも小さいと、有機分子層による発生力が小さくなり、駆動が難しくなるという不都合が起こる一方、100モルより大きいと無機層状物質の層間隔が拡大しすぎて形状が保てないという不都合が起こるためである。このホスト無機層状物質に対するゲスト有機物質の総量は、より好適には0.1モル以上10モル以下とする。
【0042】
この発明の第3の発明によるアクチュエータにおいては、上記のような無機有機複合材料の面に対して垂直方向に電場を印加することにより無機有機複合材料のホスト無機層状物質の層間隔を変化させることにより駆動を行う。このアクチュエータは、ホスト無機層状物質の面に垂直な方向に電場を印加するための電極を有し、典型的には、ホスト無機層状物質の一方の面および他方の面にそれぞれ電極が設けられている。このアクチュエータは一つの要素部(モジュールあるいはユニット)により構成されることも、所望の大きさにするための複数の要素部の組み合わせにより構成されることもある。
【0043】
アクチュエータの形状は基本的にはどのような形状であってもよく、使用目的などに応じて設計される。具体的には、アクチュエータは、無機有機複合材料の伸縮方向を軸とする柱状(円柱状、角柱状など)または繊維状の形状を有し、好適には、電場印加によるホスト無機層状物質の層間隔変化時にその形状を保ち、あるいは液晶の漏洩を防ぐために、少なくともその側面の一部に伸縮性の物質がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、無機有機複合材料の伸縮方向を軸とする柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものからなるものであり、あるいはこの柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された(あるいは束ねられた)構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
【0044】
アクチュエータは、無機有機複合材料の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有することもあり、好適には、電場印加によるホスト無機層状物質の層間隔変化時にその形状を保ち、あるいは液晶の漏洩を防ぐために、少なくともその表面の一部に伸縮性の物質がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、膜状または板状の形状をする要素部が複数直列接続されたものからなるものであり、あるいはこの膜状または板状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された(あるいは束ねられた)構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
アクチュエータはさらに、上記のような種々の形状のものを使用目的などに応じて適宜に組み合わせることにより構成してもよい。
【0045】
この発明による人工筋肉においては、無機有機複合材料の面に対して垂直方向に電場を印加することにより無機有機複合材料のホスト無機層状物質の層間隔を変化させることにより駆動を行う。その他のことは、この発明によるアクチュエータと同様である。この人工筋肉は、例えば拮抗筋の構成に適用することができる。この場合、人工筋肉は第1の人工筋肉および第2の人工筋肉からなり、第1の人工筋肉および第2の人工筋肉が支柱を共有して拮抗した伸縮動作を行うように構成される。
【0046】
この発明による無機有機複合材料、アクチュエータまたは人工筋肉は、無機層状物質の層間に存在する液晶性を有する有機分子を外部電場により駆動させ、一方向、すなわち層に垂直方向の伸縮変位を可能とするものである。より具体的には、電場によって無機層状物質の層間に存在する液晶性を有する有機分子の無機層に対する角度を変化させ、それに伴う層間隔の変化をマクロ変位として取り出し、駆動するものである。このような無機有機複合材料が電場印加により駆動される際には、ナノメートルレベルの層間隔の変化が結晶の厚み方向(c軸方向)のみに反映されるので、伸縮の自由度は一方向にしかなく、エネルギー効率が高くなるという利点を有する。
【0047】
さらに、この無機有機複合材料は層間に存在する液晶性を有する有機分子のために柔軟な構造を有している。従来の無機物を用いた電歪アクチュエータは、伸縮する部位がセラミックスでできているため、柔軟性はほとんどなく、しかも変位は小さい。従って、無機層状物質をマトリックスとしながら、柔軟な性質をも有していることは、この発明によるアクチュエータの大きな利点である。
【0048】
このようにこの発明によるアクチュエータは、従来のアクチュエータを凌ぐ特性を有するものである。特に、従来の液晶アクチュエータとの比較においては、無機物を骨格としているので強度耐久性に優れ、また層状構造を有するので、その異方性を利用することにより応答速度やエネルギー変換効率が向上する。さらに、従来の無機アクチュエータとの比較においては、柔軟性を有しており、かつ大きな変位が得られるという特徴を有する。
【0049】
この発明による無機有機複合材料の駆動メカニズムを図1を参照してより詳細に説明する。図1は層状無機物質の層状無機骨格の層間に液晶を保持したこの発明による無機有機複合材料(インターカレーション化合物)の、電圧を印加する前後における構造を示す模式図である。
【0050】
無機層状物質に有機物のインターカレーションを行うと、一般的に有機分子は無機層に対してある角度で配向した状態で層間に存在している。これが電圧を印加していない状態で図1Aに相当する。液晶分子が層間にインターカレートされている場合、電圧印加により液晶層は協同的に分子の向きを電場に対して揃えようとする。液晶分子の誘電率異方性が正の場合には、図1Bに示すように、液晶分子は長軸方向が電場の向きと平行になるように配向し、このとき層間隔は増大する。一方、液晶分子の誘電率異方性が負の場合には、図1Cに示すように、液晶分子は長軸方向が電場の向きと垂直に近づくように配向し、このとき層間隔は縮小する。
【0051】
この層間隔の変化はナノメートルレベルの微小なものであるが、この変位はもとの層間隔の数〜数十%にも達し、無機有機複合材料の結晶全体を観察すると、そのc軸方向(厚み方向)に巨大な変位が生じることになる。無機物を用いたアクチュエータとしては、すでに述べたようにPZTなどの電歪素子があるが、その変位量は0.1%程度であり、この発明による無機有機複合材料を用いたアクチュエータではそれを遥かに上回る変位が得られる。
【0052】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【0053】
まず、この発明の第1の実施形態について説明する。この第1の実施形態においては、無機層状物質としてのKTiNbO5 の層間に液晶をインターカレートした無機有機複合材料およびその製造方法ならびにこの無機有機複合材料への電圧印加時の変位について説明する。
【0054】
図2に、電圧無印加時におけるこの無機有機複合材料の構造を示す。図2に示すように、この無機有機複合材料は、無機層状物質としてのKTiNbO5 の無機層11、12間に、有機分子層としてのブチルアミン層13、14を介して、液晶性を示す分子層としての5CB層15、16が挿入された構造を有する。ここで、ブチルアミン層13、14および5CB層15、16は、無機層11、12間の空間の二等分面に関して鏡像の関係にある分子配向性を有している。ブチルアミン層13、14はそのNH3 + 側がそれぞれ無機層12、13に結合している。そして、5CB層15、16はそれらのCN基が互いに向き合うように配向している。
【0055】
次に、この無機有機複合材料の製造方法について説明する。
この無機有機複合材料は、KTiNbO5 単結晶の作製、このKTiNbO5 単結晶の処理によるHTiNbO5 単結晶の作製およびこのHTiNbO5 単結晶に対する二段階のインターカレーションの工程を経て製造される。以下これらの工程について詳細に説明する。
【0056】
KTiNbO 5 単結晶の作製
まず、KTiNbO5 粉末を白金るつぼに入れ、この白金るつぼを大気中において1400℃で5時間保持した後、1150℃まで10℃/hの冷却速度で徐冷し、さらに室温まで冷却して成型体を得る。次に、この成型体の焼成を行う。焼成方法としては、成型体を容積が20mlの白金るつぼに入れ、さらにこの白金るつぼを一回り大きいアルミナるつぼに入れて、アルミナ製の蓋で密閉する二重るつぼの方法を採用した。この焼成により得られた溶融凝固体を白金るつぼから取り出し、きれいな透明性の単結晶片を選び出した。KTiNbO5 結晶の形状は、結晶構造の異方性を反映して板状となっているものが一般的であり、機械的操作により単結晶を取り出すと最大(2〜3)mm×(2〜3)mm×(1〜2)mm程度の大きさのものが得られる。KTiNbO5 の結晶構造を図3に示す。
【0057】
このKTiNbO5 単結晶のX線回折パターンを図4に示す。図4より、(001)の回折ピークのみが見られ、試料測定面がc面となっていることがわかる。同図の(002)回折ピークから計算される面間隔は0.900nm(9.00Å)であった。EDXによりこのKTiNbO5 単結晶の組成の定量分析をしたところ、金属組成比はK:Ti:Nb=0.97:1:0.98であった。
【0058】
HTiNbO 5 単結晶の作製(KTiNbO 5 →HTiNbO 5
上述のようにして得られたKTiNbO5 単結晶を、室温で1規定のHCl中に入れ、2週間静置した。この処理によりKTiNbO5 単結晶中のKイオンがHイオンに交換され、HTiNbO5 単結晶が得られた。結晶の形状は、イオン交換前のKTiNbO5 と殆ど変化はない。HTiNbO5 の結晶構造を図5に示す。
【0059】
このHTiNbO5 単結晶のX線回折パターンを図6に示す。同図の(002)回折ピークから計算した面間隔はd=0.848nm(8.48Å)であり、KTiNbO5 より少し小さい値となっている。EDXによるこのHTiNbO5 単結晶の組成の定量分析をした結果、金属組成比はK:Ti:Nb=0.03:1:0.98であり、K成分がほとんど脱離していることがわかった。従って、このHTiNbO5 単結晶は、KTiNbO5 の結晶構造をほぼ保ったまま、K→Hイオン交換が起こってできたHTiNbO5 単結晶であると考えられる。
【0060】
第一段階インターカレーション:ブチルアミン−HTiNbO 5 単結晶の作製
上述のようにして得られたHTiNbO5 単結晶へn−ブチルアミン(n-Butylamine)のインターカレーションを行う。このインターカレーションは、溶媒に純水を用いて1mol/lのアミン溶液を作製し、HTiNbO5 に対してアミンのモル比が大幅に過剰になるようにして、室温にて3日間反応させることにより行った。この操作によって、n−ブチルアミンがHTiNbO5 の層間に挿入されたインターカレーション化合物(以下「ブチルアミン−HTiNbO5 」と呼ぶ)の結晶が得られた。このブチルアミン−HTiNbO5 単結晶のX線回折パターンを図7に示す。図7より、(001)に由来する回折ピークのみが見られ、(002)回折ピークから計算される面間隔はd=1.821nm(18.21Å)であった。このブチルアミン−HTiNbO5 結晶の面間隔はHTiNbO5 のそれに比較して約0.973nm(9.73Å)拡大しており、これはブチルアミンが層間に挿入されたことを示している。無機層間に存在するブチルアミンの傾斜角度を図8を参照して見積もると、HTiNbO5 結晶の層間隔d1 =0.848nm(8.48Å)、ブチルアミン−HTiNbO5 結晶の層間隔d=1.821nm(18.21Å)、n−ブチルアミンの分子長a=0.616nm(6.16Å)、Δd=d−d1 =0.973nm(9.73Å)であるから、傾斜角度θ=arcsin(Δd/2a)=arcsin(0.973/2×0.616)=52°と見積もられる。
【0061】
次に、このブチルアミン−HTiNbO5 単結晶の組成を明らかにするために、酸素循環TCD法による窒素の定量分析を行った。ブチルアミン1分子中には窒素原子が1個存在するので、窒素の定量分析を行うことにより、有機分子を含めたインターカレーション化合物の組成を決定することができる。測定結果より得られた組成式は
(ブチルアミン) 0.56 HTiNbO5
であった。
【0062】
第二段階インターカレーション:5CB−ブチルアミン−HTiNbO 5 単結晶の作製
上述のようにして第一段階インターカレーションを行うことにより得られたブチルアミン−HTiNbO5 単結晶に第二段階インターカレーションを行う。挿入物質は室温ネマティック液晶5CB(4-aminobutoxy cyanobiphenyl :C5 11(C6 4 2 CN)であり、この物質は22℃〜35℃の範囲でネマティック相となるものである。まず、ブチルアミン−HTiNbO5 単結晶数個をガラス製サンプル管の中に入れ、このサンプル管の中にそれらを浸すのに十分な量の5CB(メルク社製、型番K−15)を注いだ。その後、密閉したサンプル管をオーブンに入れ、130℃で12時間〜60時間の熱処理を行った。
【0063】
ブチルアミン−HTiNbO5 単結晶を5CBとともに、130℃で24時間熱処理した試料(以下「5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 」と呼ぶ)のX線回折パターンを図9に示す。図9より、(001)に由来する回折ピークのみが見られ、(002)回折ピークから計算される層間隔はd=3.994nm(39.94Å)であった。これはブチルアミン−HTiNbO5 に比較して約2.173nm(21.73Å)と大きく拡大しており、5CBが層間に挿入されたと考えることができる。この層間隔の変化は、5CBの分子長1.639nm(16.39Å)(MOPACによる計算値)よりも十分大きく、第一段階のインターカレーションで層間に層入したブチルアミンの無機層に対する傾斜角度が不変であるとすると、層間に5CBは2分子層以上挿入されていることになる。ブチルアミンの傾斜角度が不変かつ5CBが2分子層存在すると仮定し、5CBの傾斜角度を図10を参照して見積もると、ブチルアミン−HTiNbO5 単結晶の層間隔d1 =1.821nm(18.21Å)、5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 結晶の層間隔d=3.994nm(39.94Å)(熱処理条件130℃、24時間の場合)、5CBの分子長a=1.639nm(16.39Å)、Δd=d−d1 =2.173nm(21.73Å)であるから、傾斜角度θ=arcsin(Δd/2a)=arcsin(2.173/2×1.639)=42°と見積もられる。
【0064】
図11に、ブチルアミン−HTiNbO5 の層間に5CBを挿入する際の反応時間と層間隔との関係を示す。ただし、反応温度は130℃とした。図11より、層間隔は反応時間の増加に伴って増加しており、このことから、熱処理時間が増加するにつれて5CBは層間に多量に挿入され、層間隔が拡大することがわかる。
【0065】
ブチルアミン−HTiNbO5 に5CBが挿入されたことをさらに確認するために赤外(IR)測定を行った。図12に、5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 単結晶(熱処理条件130℃、24時間)のIRスペクトルを示す。この系においては、5CBが挿入されたことを確認することは容易である。これは、5CBには2200cm-1付近のシアノ基(C≡N)の伸縮振動に由来する明瞭なピークがあるが、ブチルアミン−HTiNbO5 にはこれがないからである。図12には明らかにシアノ基に由来するピークが存在しているので、5CBが挿入されていることがわかる。
【0066】
次に、この5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 結晶に電場印加を行った場合の変位について考察する。5CBは正の誘電異方性を有する液晶であるので、電場を印加すると、分子の長軸が電場ベクトルに対して平行となるように配向する。電場を印加しない初期状態で無機層に対する5CB分子の傾斜角度が42°の場合には、電場印加により傾斜角度が90°へと変化すると、層間隔の増加は2.2nm(22Å)となる。従って、この結晶では電場印加前に比べc軸方向に最大54%もの極めて大きい伸張が得られることになる。
【0067】
次に、この発明の第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態においては、第1の実施形態においてゲスト有機物質として用いたn−ブチルアミンの代わりに4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニル(4-aminobutoxy-4 ’-cyanobiphenyl)(以下「ABCB」と呼ぶ)を用いる。
【0068】
この第2の実施形態による無機有機複合材料の電圧無印加時における構造は、図2におけるブチルアミン層をABCB層で置き換えたものに相当する。
【0069】
次に、この無機有機複合材料の製造方法について説明する。
この無機有機複合材料は、KTiNbO5 単結晶の作製、KTiNbO5 単結晶の処理によるHTiNbO5 単結晶の作製およびHTiNbO5 単結晶に対する二段階のインターカレーションの工程を経て製造されるが、KTiNbO5 単結晶の作製からHTiNbO5 単結晶の作製までの工程は第1の実施形態と同様であるので説明を省略し、HTiNbO5 単結晶に対する二段階のインターカレーションの工程についてのみ説明する。
【0070】
第一段階インターカレーション:ABCB−HTiNbO 5 単結晶の作製
第一段階インターカレーションで用いるABCBの合成は、Kawasumiら(Mol.Cryst.Liq.Cryst., 281 (1996) 91.)によって報告されている手法を参考に行った。得られたABCBを水/エタノール混合溶媒(H2 O:C2 5 OH=1:1)に溶かし、0.1mol/lのABCB溶液を作製した。この溶液をサンプル管に入れ、これにABCB:HTiNbO5 =10:1となるようHTiNbO結晶を入れた。各結晶の大きさは1〜2mm角で、厚さは0.1〜0.5mm程度であった。上記サンプル管を密閉し、オーブンの中に入れ、70℃で12時間の熱処理を行った。
【0071】
この操作によって、ABCBがHTiNbO5 の層間に挿入されたインターカレーション化合物(以下「ABCB−HTiNbO5 」と呼ぶ)の結晶が得られた。このABCB−HTiNbO5 単結晶のX線回折パターンを図13に示す。図13に示すように、(001)に由来する回折ピークが見られ、(002)回折ピークから計算される面間隔はd=3.293nm(32.93Å)であった。これはHTiNbO5 のそれに比較して2.445nm(24.45Å)拡大しており、ABCBが層間に挿入されたと考えることができる。層間に挿入されたABCB分子が無機層間で、2 分子層を形成していると仮定すると、ABCBの分子長が1.682nm(16.82Å)(MOPACによる計算値)であることから、その無機層に対する傾斜角度はarcsin-1(2.445/(2×1.682))=47°と見積もられる。
【0072】
次に、ABCB−HTiNbO5 の組成を明らかにするために窒素の定量分析を行った。その結果得られた組成式は
(ABCB)0.62HTiNbO5
であった。
【0073】
第二段階インターカレーション:5CB−ABCB−HTiNbO 5 単結晶の作製
第一段階インターカレーションを行ったABCB−HTiNbO5 単結晶に第二段階インターカレーションを行った。挿入物質は、第一の実施形態で用いたものと同じ室温ネマティック液晶5CBである。
【0074】
ABCB−HTiNbO5 単結晶を5CBとともに、130℃で12時間熱処理した試料(以下「5CB−ABCB−HTiNbO5 」と呼ぶ)のX線回折パターンを図14に示す。同図のX線回折パターンからは(001)の回折ピークが見られ、(002)回折ピークから計算される層間隔はd=3.855nm(38.55Å)であった。これは、ABCB−HTiNbO5 に比較して約0.562nm(5.62Å)拡大しており、5CBが層間に挿入されたと考えることができる。層間隔の変化は5CBの分子長(1.639nm(16.39Å))よりもかなり小さいので、挿入されている5CBは1分子層を形成していることが予想される。層間の5CBが1分子層を成し、かつABCBの傾斜角度が不変であると仮定すると、第二段階目のインターカレーションプロセスにより層間に挿入された5CBの傾斜角度はarcsin-1(0.562/1.639)=20°と見積もられる。
【0075】
図15に、ABCB−HTiNbO5 の層間に5CBを挿入する際の反応時間と層間隔との関係を示す。図15より、層間隔は反応時間に依存して増加する傾向を示しており、このことから、反応時間が増加するにつれて5CBは層間に多量に挿入され、層間隔が拡大することがわかる。
次に、この5CB−ABCB−HTiNbO5 単結晶に電場印加を行った場合の変位について考察する。層間に5CBが1 分子層入っており、電場を印加しない初期状態で無機層に対する5CB分子の傾斜角度が20°と仮定した場合には、電場印加により傾斜角度が90°へと変化すると層間隔の増加は1.077nm(10.77Å)となり、28%の伸びが得られる。
【0076】
次に、この発明の第3の実施形態について説明する。この第3の実施形態においては、この発明による無機有機複合材料(インターカレーション化合物)を用いたアクチュエータについて説明する。
【0077】
図16は、この第3の実施形態によるアクチュエータの基本ユニットを示す。
このアクチュエータで使用する無機有機複合材料(インターカレーション化合物)は、第1の実施形態または第2の実施形態のものでもよいし、5CB以外の液晶分子やHTiNbO5 以外の無機層状物質を用いたものでもよく、必要に応じて選ばれる。このアクチュエータにおいては、円柱、直方体などの柱状の無機有機複合材料21の上下両面に電極22、23が設けられ、これらの電極22、23からそれぞれリード線24、25が取り出されている。無機有機複合材料21は、大きな変位を効率的に得ることができるように、好適にはc軸方向に高度に配向したバルク結晶や薄膜あるいは厚膜の形状を有しており、より具体的には単結晶、高c軸配向多結晶体、高c軸配向薄膜などである。無機有機複合材料21および電極22、23の外周面は、無機有機複合材料21の無機層間に存在する液晶分子の漏洩や無機有機複合材料21の伸縮に伴う無機層の剥離などを防止するとともに、形状を保持する目的で、有機高分子によるコーティング26が施されている。この有機高分子によるコーティング26の材料は、耐久性に優れ、無機有機複合材料の駆動時に負担とならないように伸縮性、柔軟性を有しているものであれば、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴムなどが用いられる。
【0078】
図17はこの発明の第4の実施形態による積層アクチュエータを示す。図17に示すように、この積層アクチュエータは、十分な変位が得られるように、図16に示すアクチュエータの基本ユニットを、その伸縮方向であるc軸方向に複数積層したものである。ここでは、複数のアクチュエータをその伸縮方向に積層していることが重要であって、積層アクチュエータの全体形状は、例えば直方体、円柱などの任意の形状であってよい。図17では基本ユニットの数が4の場合が示されているが、基本ユニットの数は必要に応じて選択される。各ユニットのアクチュエータには、リード線24、25を通じて外部から電圧が印加される。
【0079】
図18はこの発明の第5の実施形態による繊維状アクチュエータを示す。図18に示すように、この繊維状アクチュエータは、図17に示す積層アクチュエータの段数を十分に多くして全体として繊維状の形態としたものを基本とし、それらを並列に複数本束ねたものである。
【0080】
この第5の実施形態によれば、繊維状の積層アクチュエータを複数本並列に束ねてアクチュエータを構成していることにより、アクチュエータの発生力および強度を飛躍的に増すことができる。また、このアクチュエータの一本一本の繊維は柔軟であり、電圧印加により協同的に駆動するので、生物の筋肉を模倣したアクチュエータとして好適なものとなる。
【0081】
以上の第3、第4および第5の実施形態によれば、柔軟性、高速応答性、大変位といった特徴を併せ持つ高性能のアクチュエータが実現され、これは例えばロボティクス、医療などの分野に好適に利用することができる。
ここで、これらの第3、第4および第5の実施形態によるアクチュエータを、特開平05−110153号公報および特開平06−125120号公報に開示された変位素子と比較すると、次のような多くの利点を有する。
(1)上記公報に開示された素子は全固体型であるが、第3、第4および第5の実施形態によるアクチュエータは無機層状物質の層間に液晶が挿入されているので全固体ではない。ここが最大の相違点である。液晶との複合化は素子に柔軟性を与えるので、生体筋のような柔軟な特性を必要とする人工素子が得られる。これは近年発展してきた自律型ロボットの開発において大きな利点となるものである。
(2)上記公報に開示された素子では、その実施例においてインターカレーション反応を一段階しか行っていない。一方、第3、第4および第5の実施形態によるアクチュエータでは、それを構成する無機有機複合材料の製造に際して二段階以上のインターカレーションを行っている。この方法によれば、大部分の液晶分子を挿入することができる、液晶分子の挿入量が挿入温度や時間により容易に制御できる、などの利点を得ることができる。
(3)上記公報に開示された素子では、その実施例においてインターカレーション物質の粉末を用いているが、これではインターカレーション物質に特有な異方性を十分に生かすことはできない。一方、第3、第4および第5の実施形態によるアクチュエータでは、変位を得るのに最適なマトリックスである単結晶を用いている。
【0082】
図19はこの発明の第6の実施形態による駆動システムを示す。この駆動システムは人工拮抗筋の駆動システムである。
図19に示すように、この駆動システムは、二つの人工筋肉61、62を組み合わせたものである。これらの人工筋肉61、62としては、例えば、第5の実施形態と同様なアクチュエータを用いることができる。人工筋肉61は容器63内に収納されており、人工筋肉61の両端の伝達棒64は容器63の外部に引き出されている。同様に、人工筋肉62は容器65内に収納されており、人工筋肉62の両端の伝達棒66は容器65の外部に引き出されている。人工筋肉61、62の一端の伝達棒64、66は支柱67と接続されている。同様に、人工筋肉61、62の他端の伝達棒64、66は支柱68と接続されている。これらの支柱67、68は関節69を介して相互に結合されており、この関節69を中心として回転することができるようになっている。
【0083】
この第6の実施形態においては、生物の骨に当たる支柱67、68に対して人工筋肉61、62が拮抗した動作を行う。すなわち、人工筋肉61、62の協調動作により、拮抗筋と類似の動作を行うことができる。例えば、人工筋肉61、62の電圧無印加時の長さがいずれもLで等しく、それらを構成する各アクチュエータの電極間に電圧V1 を印加したときの伸長量がΔLである場合、例えば人工筋肉61、62の長さがL+ΔL/2のときを基準にすると、図19に示した状態では、人工筋肉61は収縮しているのに対し、人工筋肉62はこれと逆に伸長している。この場合、人工筋肉61を構成する各アクチュエータの電極間に印加されている電圧V2 は0<V2 <V1 であり、人工筋肉62を構成する各アクチュエータの電極間に印加されている電圧V3 はV1 <V3 である。
【0084】
この第5の実施形態によれば、第3、第4または第5の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、二つの人工筋肉61、62を組み合わせて拮抗筋を構成しているので、人工筋肉を単独で駆動させるよりもバランスの取れた動きが可能となるという利点を得ることができる。
【0085】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0086】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、プロセスなどはあくまでも例にすぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、プロセスなどを用いてもよい。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなる無機有機複合材料において、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子を含むことにより、強靭性、柔軟性、得られる変位の大きさ、応答速度、変位を取り出す際のエネルギー効率などの諸点で満足し得る性能を有する無機有機複合材料、アクチュエータおよび人工筋肉を実現することができる。そして、これらの無機有機複合材料、アクチュエータおよび人工筋肉をインターカレーションの手法により容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】無機層状物質の層間に液晶を挿入したこの発明による無機有機複合材料の電圧印加による駆動メカニズムを説明するための略線図である。
【図2】この発明の第1の実施形態による無機有機複合材料の結晶構造を示す略線図である。
【図3】KTiNbO5 の結晶構造を示す略線図である。
【図4】この発明の第1の実施形態において作製されたKTiNbO5 結晶のX線回折パターンを示す略線図である。
【図5】HTiNbO5 の結晶構造を示す略線図である。
【図6】この発明の第1の実施形態において作製されたHTiNbO5 結晶のX線回折パターンを示す略線図である。
【図7】この発明の第1の実施形態において作製されたブチルアミン−HTiNbO5 結晶のX線回折パターンを示す略線図である。
【図8】この発明の第1の実施形態において作製されたブチルアミン−HTiNbO5 結晶の層間におけるブチルアミンの傾斜角度を見積もるための略線図である。
【図9】この発明の第1の実施形態において作製された5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 結晶のX線回折パターンを示す略線図である。
【図10】この発明の第1の実施形態において作製された5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 結晶の層間における5CBの傾斜角度を見積もるための略線図である。
【図11】この発明の第1の実施形態において作製された5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 結晶の層間隔と反応時間との関係を示す略線図である。
【図12】この発明の第1の実施形態において作製された5CB−ブチルアミン−HTiNbO5 結晶の赤外スペクトルを示す略線図である。
【図13】この発明の第2の実施形態において作製されたABCB−HTiNbO5 結晶のX線回折パターンを示す略線図である。
【図14】この発明の第2の実施形態において作製された5CB−ABCB−HTiNbO5 結晶のX線回折パターンを示す略線図である。
【図15】この発明の第2の実施形態において作製された5CB−ABCB−HTiNbO5 結晶の層間隔と反応時間との関係を示す略線図である。
【図16】この発明の第3の実施形態によるアクチュエータを示す断面図である。
【図17】この発明の第4の実施形態による積層アクチュエータを示す断面図である。
【図18】この発明の第5の実施形態による繊維状アクチュエータを示す略線図である。
【図19】この発明の第6の実施形態による駆動システムを示す断面図である。
【符号の説明】
11、12・・・無機層、13、14・・・ブチルアミン層、15、16・・・5CB層、21・・・無機有機複合材料、22、23・・・電極、24、25・・・リード線、26・・・有機高分子によるコーティング、61、62・・・人工筋肉[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inorganic-organic composite material and a manufacturing method thereof, an actuator and a manufacturing method thereof, and an artificial muscle and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention is useful for realizing a device that generates displacement in response to an external field, particularly an electric field, and is suitable for use in fields such as electronics, robotics, and medical care. is there.
[0002]
[Prior art]
As actuators that are currently in practical use, most of them are electromagnetic motors and electrostrictive elements (piezoelectric elements) driven by electric drive, hydraulic actuators and pneumatic actuators driven by fluid pressure. In fact, as long as it is used in various automated equipment and various transport equipment in factories, these existing actuators have practically sufficient characteristics. However, for example, in an autonomous robot actuator that has been urgently developed, it is necessary for a plurality of actuators to perform an operation having a three-dimensional degree of freedom in cooperation. Since the generated force and the self-weight are loads of other actuators, the control difficulty and the total weight increase dramatically as the degree of freedom increases (Toshin Takamori, “Actuator Revolution” Industrial Research Committee, 1987).
[0003]
In such use, it can be said that the muscle of the living body is an excellent actuator with a good balance. Specifically, the displacement is 50% in the shrinking direction, the response time is 30 ms, and the generated tension is 2 to 10 kg / cm.2The generated power is 0.1 to 0.3 W / g at the maximum per unit weight, and no actuator satisfying all of these has been developed at present (Applied Physics Vol. 60, No. 3, (1991) p. 258). Furthermore, flexibility is also a major characteristic of living muscles.
[0004]
Stimulus-responsive polymer gels have recently attracted attention as artificial muscles similar to living muscles, and research in this field is being actively conducted. This polymer gel is driven by a change in volume of the gel caused by movement of the solvent contained in the gel due to changes in the external environment such as electric field, temperature, pH, and solution concentration. This actuator system is light and flexible, and has many advantages such as no noise and no generation of exhaust gas associated with combustion. However, the following problems have been pointed out as main problems in the polymer gel currently under development.
[0005]
(1) Since the structure does not have anisotropy, it becomes three-dimensional expansion / contraction (swelling / contraction), and the energy efficiency is lower than that of a one-dimensional expansion / contraction structure (eg, biological muscle). .
(2) Mechanical strength and durability are low.
(3) Since the driving mechanism is volume change due to solvent movement, the response speed is limited by the diffusion of the solvent and is slow.
[0006]
As a solution to the problem (3), a liquid crystal actuator using a polymer liquid crystal or liquid crystal elastomer driven by an electric field as a main component has been reported (for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 3-5720 and 3). No. 7079, JP-A-6-324312). Since the driving mechanism of this liquid crystal actuator is to cause the deformation by causing the orientation change due to the electric field of the liquid crystal to be transmitted to the polymer chain, there is an advantage that the response speed is faster than that controlled by solvent diffusion. More specifically, in JP-A-3-5720 and JP-A-3-7079, a liquid crystal actuator having a structure in which a polymer liquid crystal or a liquid crystal elastomer is sandwiched between two electrodes is disclosed in JP-A-6-324312. An actuator using a so-called liquid crystal gel in which a liquid crystal elastomer is swollen by a low molecular liquid crystal substance is disclosed. However, in these liquid crystal actuators, since the polymer portion serving as a matrix does not have anisotropy, it is considered that the efficiency when taking out force and displacement is lowered.
[0007]
On the other hand, one of the actuators currently in practical use is an electrostrictive element that is driven by application of an electric field to generate distortion. This electrostrictive element is generally formed of a ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PZT), which is an inorganic material, and has the advantages of excellent strength and durability, and high response speed. It has a problem that it is small (about 0.1%) and lacks flexibility.
[0008]
However, according to the knowledge of the present inventors, since conventional liquid crystal actuators use a polymer as a matrix, the energy accompanying the electric field alignment of liquid crystal molecules cannot be efficiently converted into mechanical energy. In order to efficiently convert energy into force, it is conceivable to use a matrix having a structural anisotropy that causes expansion and contraction in only one direction. Not reported until. Furthermore, the conventional electrostrictive inorganic actuator has problems that it is poor in flexibility and displacement is small.
[0009]
Further, a displacement element using an inorganic / organic composite intercalation substance is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 05-110153 and 06-125120. These displacement elements are driven by changing the orientation angle of the polar organic material by applying an external electric field to the compound in which the polar organic material is inserted between the layers of the inorganic layered material. However, these displacement elements are all solid, and lack flexibility as with the electrostrictive inorganic actuator described above.
[0010]
Techniques for realizing an actuator using an intercalation technique are disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 2-131376 and 4-12785. Both of these actuators use a change in volume due to the guest ions in and out of the host material as a driving force. More specifically, the actuator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-131376 has a structure in which polyethylene oxide as an electrolyte is sandwiched between graphite intercalation compounds, and bending occurs when Li is transported between the layers. is there. On the other hand, the actuator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-12785 has a positive / negative electrode with Ag.0.7V2OFive4AgI-Ag as a solid electrolyte2WOFourIs used. None of these publications mention liquid crystal molecules as well as other organic molecules as guests, and are considered to be different from the present invention.
[0011]
Regarding compounding of a liquid crystal and an intercalation compound (for example, clay mineral), Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-278549, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-318982, Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-045662, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-015663. JP-A-08-269453, JP-A-08-302351 and JP-A-10-148849. In these publications, liquid crystal compositions that can be obtained by imparting liquid crystal affinity to flat shaped particles such as clay minerals and dispersing them in a liquid crystal matrix, and light-scattering dimmers that have memory and high-speed response characteristics Although it is disclosed for application to a recording medium / recording element, a temperature-responsive optical shutter, etc., it does not mention application to an actuator or displacement.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, until now, it has been difficult to obtain satisfactory performance in terms of toughness, flexibility, magnitude of displacement obtained, response speed, energy efficiency in taking out displacement, and the like.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art by compositing an inorganic layered substance and an organic molecule exhibiting liquid crystallinity at the molecular level by an intercalation technique. , Novel inorganic-organic composite material capable of obtaining satisfactory performance in terms of toughness, flexibility, magnitude of displacement obtained, response speed, energy efficiency in taking out displacement, and the like, and a method for producing the same It is an object of the present invention to provide a novel actuator and artificial muscle using an organic composite material, and a production method thereof.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have conducted intensive studies from both theoretical and experimental viewpoints. As a result, in order to solve the above-mentioned problems all at once, an inorganic organic composite material in which a liquid crystal is inserted between layers of an inorganic layered substance by an intercalation technique, and the inorganic layered substance and liquid crystal molecules are combined at the molecular level ( We have reached the conclusion that it is effective to construct an actuator using an intercalation compound), and have conducted extensive research to realize the inorganic-organic composite material and succeeded in the synthesis. Then, using this inorganic-organic composite material, an actuator having a completely new configuration that combines the toughness of the inorganic substance and the flexibility of the organic substance was created. Until now, there has been no report on the use of a compound obtained by intercalating liquid crystal in such an inorganic layered substance for an actuator.
[0014]
That is, in order to solve the above problem, the first invention of the present invention is:
In an inorganic-organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance present between the host inorganic layered substance,
At least one kind of guest organic substance is composed of organic molecules having liquid crystallinity
It is characterized by this.
[0015]
The second invention of this invention is:
A method for producing an inorganic-organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance existing between the host inorganic layered substances, wherein at least one kind of guest organic substance is composed of organic molecules having liquid crystallinity Because
Intercalated guest organic material between layers of host inorganic layered material
It is characterized by this.
[0016]
The third invention of the present invention is:
An inorganic organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance existing between the layers of the host inorganic layered substance, wherein at least one kind of guest organic substance is composed of organic molecules having liquid crystallinity was used.
This is an actuator.
[0017]
The fourth invention of the present invention is:
An inorganic organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance existing between the layers of the host inorganic layered substance, wherein at least one kind of guest organic substance is composed of organic molecules having liquid crystallinity was used. An actuator manufacturing method comprising:
Intercalated guest organic material between layers of host inorganic layered material
It is characterized by this.
[0018]
The fifth invention of the present invention is:
An inorganic organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance existing between the layers of the host inorganic layered substance, wherein at least one kind of guest organic substance is composed of organic molecules having liquid crystallinity was used.
It is an artificial muscle characterized by this.
[0019]
The sixth invention of the present invention is:
An inorganic organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance existing between the layers of the host inorganic layered substance, wherein at least one type of guest organic substance is composed of organic molecules having liquid crystallinity is used. A method for manufacturing artificial muscle,
Intercalated guest organic material between layers of host inorganic layered material
It is characterized by this.
[0020]
In the present invention, the “organic molecule having liquid crystallinity” refers to an organic molecule exhibiting liquid crystallinity in a certain finite temperature range, and may take any of a nematic phase, a cholesteric phase, and a smectic phase.
[0021]
In this invention, the inorganic-organic composite material is a material in which the guest organic substance existing between the layers of the host inorganic layered substance is at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity. There may be only an organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity between layers, or organic molecules having liquid crystallinity in which guest organic substances existing between the layers of the host inorganic layered substance are arranged in parallel to the layers. There may be a plurality of organic molecular layers including at least one organic molecular layer comprising The plurality of organic molecular layers in the latter case include at least two types of organic molecular layers, and typically, the first organic molecular layer, the second organic molecular layer different from the first organic molecular layer, and the first organic molecular layer It consists of a third organic molecular layer identical to one organic molecular layer, and the second organic molecular layer consists of organic molecules having liquid crystallinity.
[0022]
The plurality of organic molecular layers are preferably composed of at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity, from the viewpoint of easily producing an inorganic-organic composite material using an intercalation technique. And a pair of organic molecular layers made of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity, sandwiching the organic molecular layer. Specifically, for example, the plurality of organic molecular layers include a first organic molecular layer, a second organic molecular layer different from the first organic molecular layer, and a third organic molecule layer that is the same as the first organic molecular layer. The second organic molecular layer is composed of organic molecules having liquid crystallinity, and the first organic molecular layer and the third organic molecular layer have an affinity for the organic molecules having liquid crystallinity. It consists of organic molecules. In this case, preferably, the organic molecule having liquid crystallinity and the organic molecule having affinity for the organic molecule having liquid crystallinity have at least one identical functional group and / or a structure similar to each other. This functional group is, for example, at least one functional group selected from the group consisting of an amino group, an alkyl group, an allyl group, a sulfone group, a cyano group, and a carbonyl group.
[0023]
In this invention, from the viewpoint of causing the orientation change of the organic molecule having liquid crystallinity by applying an electric field, preferably, at least one polar functional group is bonded to at least one carbon position of the organic molecule having liquid crystallinity. Yes. This polar functional group is, for example, —NH2, NR2(Where R is an alkyl group), -NPh2(Where Ph is a phenyl group), -SOThreeAt least one polar functional group selected from the group consisting of H and CN.
[0024]
As the host inorganic layered substance, basically any material can be used as long as it can insert liquid crystal organic molecules between the layers. For example, in the case of an inorganic layered substance capable of inserting an amine-based molecule, it is possible to insert this liquid crystal organic molecule by a two-step intercalation method. Inorganic layered materials that have been reported to intercalate amine-based molecules include layered clay minerals such as smectite, vermiculite, and mica, and TaS.2Metal chalcogenides such as, metal oxyhalides such as FeOCl, V2Metal oxides such as O, Zr (HPOFour)2・ NH2There are metal phosphates such as O (zirconium phosphate). Therefore, it is possible to insert organic molecules having liquid crystallinity at least between the layers of the inorganic layered substance. These host inorganic layered materials are summarized as follows. Most of these layered inorganic substances are similar in properties to the layered inorganic substances described above, and therefore it is considered possible to intercalate amine-based molecules and further intercalate organic molecules having liquid crystallinity.
[0025]
(1) Layered perovskite and niobium
KLaNb2O7, KCa2NbThreeOTen, RbCa2NbThreeOTen, CsCa2NbThreeOTen, KNaCa2NbFourO13
(2) Layered perovskite copper series
Bi2Sr2CaCu2O8, Bi2Sr2Ca2CuThreeOTen
(3) Layered titanium / niobate
KTiNbOFive, K2TiFourO9, KFourNb6O17
(4) Layered rock salt oxide
LiCoO2LiNiO2
(5) Transition metal oxide bronze system
MoOThree, V2OFive, WOThree, ReOThree
(6) Transition metal oxo chloride
FeOCl, VOCl, CrOCl
(7) Layered polysilicate
Na2O-4SiO2-7H2O etc.
(8) Layered clay mineral
Smectite, vermiculite, mica mica, etc.
(9) Hydrotalcite
Mg6Al2(OH)16COThree-H2O
(10) Transition metal chalcogenides
TaSe2, TaS2, MoS2, VSe2
(11) Zirconium phosphate
Zr (HPOFour)2・ NH2O
(12) Graphite
C
Etc. Many of these inorganic substances have strong two-dimensionality and are easily oriented in the c-axis direction during crystal synthesis. Even if large crystals cannot be obtained, a highly c-axis oriented film is often obtained by casting a solution containing the microcrystals.
[0026]
This host inorganic layered substance changes the alignment characteristics of liquid crystalline organic molecules existing between the layers of the inorganic layered substance by applying a voltage, and changes the layer spacing. For extraction, it is most preferably a single crystal, typically a single crystal with a side length of 1 μm or more, but preferably has a highly oriented bulk polycrystalline or thin film shape, preferably for c-axis orientation. It may be a thing.
[0027]
Next, the guest organic substance composed of organic molecules having liquid crystallinity can be basically used as long as it is composed of organic molecules that exhibit liquid crystallinity in a certain finite temperature range and undergo alignment change upon application of voltage. Good. In particular, for organic molecules having liquid crystallinity inserted after the second stage, organic molecules having an amino group and having the same functional group or similar structure as the organic molecule having liquid crystallinity are put in the first stage. The idea is that most organic molecules with liquid crystallinity can be inserted. As typical examples of such organic molecules having liquid crystallinity, for example,
[Chemical 1]
Figure 0004538977
[Chemical 2]
Figure 0004538977
[Chemical Formula 3]
Figure 0004538977
Schiff base system shown in
[Formula 4]
Figure 0004538977
[Chemical formula 5]
Figure 0004538977
[Chemical 6]
Figure 0004538977
[Chemical 7]
Figure 0004538977
[Chemical 8]
Figure 0004538977
[Chemical 9]
Figure 0004538977
[Chemical Formula 10]
Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Benzoic acid ester system shown in
Embedded image
Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Biphenyl system shown in
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Figure 0004538977
The terphenyl system shown in
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Figure 0004538977
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Figure 0004538977
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Figure 0004538977
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Figure 0004538977
Cyclohexyl carboxylic acid ester system shown in
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Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Phenylcyclohexane system shown in
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Figure 0004538977
Biphenylcyclohexane system shown in
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Figure 0004538977
Cyclohexylcyclohexane system shown in
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Figure 0004538977
Biphenylcyclohexane system shown in
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Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Cyclohexyl cyclohexane ester system shown in
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Figure 0004538977
Biphenylcyclohexane system shown in
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Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Pyrimidine series,
Embedded image
Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
The dioxane system shown in
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Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Embedded image
Figure 0004538977
Cyclohexyl carboxylic acid ester system shown in
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Cyclohexyl ethane system shown in
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Azoxy-based,
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Azo system shown in
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There are cholesterol systems and so on. Furthermore, a liquid crystal molecule having asymmetric carbon and exhibiting ferroelectricity or antiferroelectricity, a polymer liquid crystal having a mesogen group in the main chain or side chain, a liquid crystal molecule using an organometallic complex, etc. can be used. Note that one kind of liquid crystal may be used alone, or two or more kinds of liquid crystals may be mixed and used.
[0028]
In this invention, the inorganic organic composite material in which the guest organic substance existing between the layers of the host inorganic layered substance is at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity is used. It can be produced by directly intercalating between the layers of the layered material. For example, the host inorganic layered material is HTiNbO.FiveConsidering this case, this HTiNbOFiveHas a property of a solid acid, so that basic organic molecules, particularly amine-based molecules can be easily intercalated, which is a generally known fact. Therefore, if it is an amine-based liquid crystal, HTiNbOFiveIt is considered that it can be directly inserted between the layers with one step of intercalation. Examples of amine-based liquid crystal molecules are as follows. These are compounds in which an asymmetric tertiary amine is bonded to a benzene ring or a cyclohexane ring.
[0029]
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[0030]
These amine liquid crystals are converted into HTiNbO.FiveAs a method of intercalating directly between crystal layers, specifically, for example,
(1) An amine-based liquid crystal is heated to an isotropic liquid, and HTiNbO is contained therein.FiveHow to put crystals
(2) Amine-based liquid crystal is dissolved in a solvent (for example, water, ethanol, or a mixed solvent thereof), and HTiNbO is dissolved therein.FiveHow to put crystals
Can be used.
As described above, if an amine liquid crystal and an appropriate insertion method are selected, liquid crystal molecules can be directly inserted between inorganic layers without using a two-step method.
[0031]
However, it may not be easy to directly insert liquid crystal molecules between layers of inorganic layered material. In that case, two or more stages of intercalation are performed. For example, in the first stage of intercalation, organic molecules that are easily intercalated and have affinity for liquid crystals are inserted into the inorganic layered material. The intercalation compound that has undergone this process can insert liquid crystal molecules in the second-stage intercalation process. For example, as an inorganic layered material, HTiNbOFive(KTiNbOFiveIs obtained by treating with hydrochloric acid), an organic substance having an amino group (for example, n-butylamine) is easily inserted in the first stage of intercalation. When the organic substance having an amino group has a good affinity with, for example, a cyanobiphenyl liquid crystal, the liquid crystal can be inserted between the layers by the second stage intercalation.
[0032]
That is, when it is difficult to directly intercalate organic molecules having liquid crystallinity between the layers of the host inorganic layered substance, an inorganic / organic composite material is produced by performing intercalation in two or more stages. Specifically, the guest organic material present between the layers of the host inorganic layered material is a plurality of organic molecular layers including at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity arranged in parallel with the layer. The method for producing an inorganic-organic composite material includes a step of intercalating an organic molecule layer other than at least one organic molecule layer composed of organic molecules having liquid crystallinity among a plurality of organic molecule layers between layers of a host inorganic layered material, and And intercalating at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity among the plurality of organic molecular layers between the layers of the host inorganic layered material. Among these, in particular, the plurality of organic molecular layers includes a first organic molecular layer, a second organic molecular layer different from the first organic molecular layer, and a third organic molecular layer identical to the first organic molecular layer. The method for producing an inorganic-organic composite material includes a step of intercalating a first organic molecular layer and a third organic molecular layer between layers of a host inorganic layered material, and a second organic molecular layer between layers of a host inorganic layered material. And intercalating.
[0033]
In addition, a plurality of organic molecular layers are a pair of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity and sandwiching at least one organic molecular layer made of organic molecules having liquid crystalline properties and the organic molecular layer. A method for producing an inorganic organic composite material including an organic molecular layer includes a step of intercalating a pair of organic molecular layers composed of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity between layers of a host inorganic layered substance. And a step of intercalating at least one organic molecular layer made of organic molecules having liquid crystallinity between the layers of the host inorganic layered material. Among these, in particular, the plurality of organic molecular layers are composed of a first organic molecular layer, a second organic molecular layer different from the first organic molecular layer, and a third organic molecular layer identical to the first organic molecular layer. The second organic molecular layer is composed of organic molecules having liquid crystallinity, and the first organic molecular layer and the third organic molecular layer are composed of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity. The method for producing a composite material includes a step of intercalating a first organic molecular layer and a third organic molecular layer between layers of a host inorganic layered material, and a second organic molecular layer interposed between layers of a host inorganic layered material. And a curating step.
[0034]
Here, the function of the organic molecule having affinity for the organic molecule having liquid crystallinity inserted by the first stage intercalation will be described. In general, a compound having a similar functional group (for example, an amino group, an alkyl group, an allyl group, a sulfone group, a cyano group, a carbonyl group, etc.) exhibits similar properties, and the more similar the structure is, It tends to be similar in nature. As a result, when liquids or liquid crystals of compounds having similar functional groups and structures are brought into contact with each other, mixing easily occurs between them. Such a state is said to have high (good) affinity between the compounds. For example, it is considered that the organic molecule group having a cyanobiphenyl group has a high affinity for the cyanobiphenyl-based liquid crystal. Furthermore, it is considered that the affinity is relatively high even if only a cyano group is used instead of cyanobiphenyl. From the above, in order to intercalate liquid crystal molecules between inorganic layers, it is considered that organic molecules having the following characteristics should be inserted at the first stage and liquid crystal molecules should be inserted after the second stage.
(1) It has the same functional group as the liquid crystal molecules inserted after the second stage
(2) The structure is similar to the liquid crystal molecules inserted after the second stage
[0035]
When producing an inorganic-organic composite material, typically, the host inorganic layered substance is brought into contact with a solution or melt of a predetermined organic substance and held at a predetermined temperature for a predetermined period of time, thereby interposing the layer of the host inorganic layered substance. The guest organic material is intercalated, and if necessary, this process is performed several times with different types of organic materials. More specifically, the guest organic material existing between the layers of the host inorganic layered material is a plurality of organic molecular layers including at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity arranged in parallel with the layer. A method for producing an inorganic-organic composite material includes a step of bringing a host inorganic layered substance into contact with a solution or melt of a first organic substance and holding it at a predetermined temperature for a predetermined time, so that a plurality of layers are provided between the layers of the host inorganic layered substance. A step of intercalating an organic molecule layer other than at least one organic molecule layer composed of organic molecules having liquid crystallinity in the organic molecule layer, and contacting the host inorganic layered substance with a solution or melt of the second organic substance And holding at a predetermined temperature for a predetermined time, at least one layer composed of organic molecules having liquid crystallinity among the plurality of organic molecular layers between the layers of the host inorganic layered substance. And a step of intercalating molecular layer. Among these, in particular, the plurality of organic molecular layers includes a first organic molecular layer, a second organic molecular layer different from the first organic molecular layer, and a third organic molecular layer identical to the first organic molecular layer. In the method for producing an inorganic-organic composite material, the host inorganic layered substance is brought into contact with a solution or melt of the first organic substance and held at a predetermined temperature for a predetermined time, so that the first layer is formed between the layers of the host inorganic layered substance. The step of intercalating the organic molecular layer and the third organic molecular layer, and bringing the host inorganic layered substance into contact with the solution or melt of the second organic substance and holding the host at a predetermined temperature for a predetermined time. And a step of intercalating the second organic molecular layer between the layers of the inorganic layered material.
[0036]
In addition, a plurality of organic molecular layers are a pair of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity and sandwiching at least one organic molecular layer made of organic molecules having liquid crystalline properties and the organic molecular layer. A method for producing an inorganic organic composite material including an organic molecular layer includes: bringing a host inorganic layered substance into contact with a solution or melt of a first organic substance and holding the host inorganic layered substance at a predetermined temperature for a predetermined time. A step of intercalating a pair of organic molecular layers composed of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity between the layers, and contacting the host inorganic layered material with a solution or melt of the second organic material And at least one organic molecular layer composed of organic molecules having liquid crystallinity is intercalated between the layers of the host inorganic layered substance by holding at a predetermined temperature for a predetermined time. And a degree. Among these, in particular, the plurality of organic molecular layers are composed of a first organic molecular layer, a second organic molecular layer different from the first organic molecular layer, and a third organic molecular layer identical to the first organic molecular layer. The second organic molecular layer is composed of organic molecules having liquid crystallinity, and the first organic molecular layer and the third organic molecular layer are composed of organic molecules having affinity for organic molecules having liquid crystallinity. The method for producing a composite material includes the step of bringing a host inorganic layered substance into contact with a solution or melt of a first organic substance and holding it at a predetermined temperature for a predetermined time, so that the first organic molecule is placed between the layers of the host inorganic layered substance. A step of intercalating the layer and the third organic molecular layer, and contacting the host inorganic layered material with a solution or melt of the second organic material and maintaining the temperature at a predetermined temperature for a predetermined time. Second between layers of material The organic molecule layer and a step of intercalating.
[0037]
In this case, the amount of the organic substance inserted between the layers of the host inorganic layered substance and the layer interval can be controlled by changing the time during which the host inorganic layered substance is brought into contact with the organic substance solution or melt.
[0038]
In particular, when two-stage intercalation is performed using a first organic material and a second organic material, these first organic material and second organic material are functional groups that are the same or similar in structure to each other. Have These functional groups are, for example, at least one functional group selected from the group consisting of an amino group, an alkyl group, an anil group, a sulfone group, a cyano group, and a carbonyl group.
[0039]
In the present invention, when intercalation between the layers of the host inorganic layered material is performed, the reaction time is generally preferably 1 hour or more and 1 month or less. This is because if the reaction time is shorter than 1 hour, the intercalation reaction is not sufficient, and the inconvenience that the layer spacing does not become constant tends to occur. On the other hand, the intercalation reaction reaches equilibrium and the layer spacing is constant. This is because it only takes a month. The reaction time is more preferably 12 hours to 3 days. In many cases, sufficient intercalation is possible with such a reaction time.
[0040]
Moreover, about the temperature in the case of an intercalation, it is set as 0 to 200 degreeC suitably, for example. As for the lower limit temperature, if the temperature is lower than 0 ° C., the inconvenience of water coagulation occurs when an aqueous solution is used. Similarly, when using a liquid consisting only of an organic substance instead of an aqueous solution, inconvenience occurs below the freezing point of the organic substance. About the upper limit temperature, if the temperature is higher than 200 ° C., undesirable reactions such as thermal decomposition and evaporation of organic molecules occur. More preferably, the temperature is set to room temperature (20 ° C.) or higher and 150 ° C. or lower. This is disadvantageous in that if the temperature is lower than room temperature (20 ° C.), the intercalation reaction does not proceed rapidly (slow). On the other hand, if the temperature is higher than 150 ° C., it is not preferable such as thermal decomposition or vaporization of organic molecules. This is because the possibility of reaction occurring is increased.
[0041]
Furthermore, the composition of the inorganic-organic composite material is preferably a host inorganic layered material (for example, HTiNbOFive) The total amount of the guest organic material is 0.01 mol or more and 100 mol or less per mol. This is because if the total amount of the guest organic material is smaller than 0.01 mol, the generated force due to the organic molecular layer becomes small and the driving becomes difficult. On the other hand, when the total amount exceeds 100 mol, the layer spacing of the inorganic layered material becomes small. This is because there is an inconvenience that the shape cannot be maintained due to the enlargement. The total amount of the guest organic material relative to the host inorganic layered material is more preferably 0.1 mol or more and 10 mol or less.
[0042]
In the actuator according to the third aspect of the present invention, the layer interval of the host inorganic layered substance of the inorganic organic composite material is changed by applying an electric field perpendicular to the surface of the inorganic organic composite material as described above. To drive. This actuator has an electrode for applying an electric field in a direction perpendicular to the surface of the host inorganic layered material. Typically, electrodes are provided on one surface and the other surface of the host inorganic layered material, respectively. Yes. This actuator may be constituted by one element part (module or unit), or may be constituted by a combination of a plurality of element parts for obtaining a desired size.
[0043]
The shape of the actuator may be basically any shape, and is designed according to the purpose of use. Specifically, the actuator has a columnar shape (cylindrical shape, prismatic shape, etc.) or a fiber shape with the expansion / contraction direction of the inorganic / organic composite material as an axis, and is preferably a layer of a host inorganic layered substance by applying an electric field. In order to keep the shape when the interval changes or to prevent the liquid crystal from leaking, at least a part of the side surface is coated with a stretchable material, but the coating may be omitted. The actuator is typically composed of a plurality of element parts having a columnar or fiber-like shape with the expansion / contraction direction of the inorganic / organic composite material as an axis, or are connected in series. A plurality of element parts having a structure connected in series have a structure in which a plurality of element parts are connected in parallel (or bundled). In order not to cause any trouble in the expansion and contraction movement, these element parts are integrally coupled by adhesion or the like.
[0044]
The actuator may have a film-like or plate-like shape in which the expansion / contraction direction of the inorganic / organic composite material is perpendicular to the main surface, and preferably maintains its shape when the layer interval of the host inorganic layered substance changes due to electric field application, Alternatively, in order to prevent leakage of the liquid crystal, at least a part of the surface is coated with a stretchable material, but the coating may be omitted. The actuator is typically composed of a plurality of element parts having a film-like or plate-like shape connected in series, or a plurality of element parts having this film-like or plate-like shape are connected in series. The structure has a structure in which a plurality of the above are connected in parallel (or bundled). In order not to cause any trouble in the expansion and contraction movement, these element parts are integrally coupled by adhesion or the like.
The actuator may further be configured by appropriately combining the various shapes as described above according to the purpose of use.
[0045]
The artificial muscle according to the present invention is driven by changing the layer interval of the host inorganic layered material of the inorganic organic composite material by applying an electric field in a direction perpendicular to the surface of the inorganic organic composite material. Others are the same as those of the actuator according to the present invention. This artificial muscle can be applied to an antagonistic muscle configuration, for example. In this case, the artificial muscle is composed of a first artificial muscle and a second artificial muscle, and is configured to perform a stretching operation in which the first artificial muscle and the second artificial muscle share and antagonize each other.
[0046]
The inorganic-organic composite material, actuator, or artificial muscle according to the present invention drives liquid crystal organic molecules existing between layers of an inorganic layered substance by an external electric field, and enables stretching in one direction, that is, in a direction perpendicular to the layer. Is. More specifically, the angle of the organic molecules having liquid crystallinity existing between the layers of the inorganic layered substance with respect to the inorganic layer is changed by an electric field, and the change in the layer interval accompanying the change is taken out as a macro displacement and driven. When such an inorganic-organic composite material is driven by applying an electric field, the change in the layer spacing at the nanometer level is reflected only in the thickness direction (c-axis direction) of the crystal. However, there is an advantage that energy efficiency is increased.
[0047]
Further, this inorganic-organic composite material has a flexible structure because of organic molecules having liquid crystallinity existing between layers. A conventional electrostrictive actuator using an inorganic material has almost no flexibility and a small displacement because the portion to be expanded and contracted is made of ceramics. Therefore, it is a great advantage of the actuator according to the present invention that it has a flexible property while using an inorganic layered substance as a matrix.
[0048]
Thus, the actuator according to the present invention has characteristics superior to those of conventional actuators. In particular, in comparison with the conventional liquid crystal actuator, since the inorganic substance is used as a skeleton, the strength durability is excellent, and since it has a layered structure, response speed and energy conversion efficiency are improved by utilizing the anisotropy. Furthermore, in comparison with the conventional inorganic actuator, it has the characteristics that it has flexibility and a large displacement can be obtained.
[0049]
The drive mechanism of the inorganic-organic composite material according to the present invention will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an inorganic organic composite material (intercalation compound) according to the present invention in which liquid crystal is held between layers of a layered inorganic skeleton of a layered inorganic substance before and after applying a voltage.
[0050]
When an organic substance is intercalated into an inorganic layered substance, generally, organic molecules are present between the layers in a state of being oriented at a certain angle with respect to the inorganic layer. This corresponds to FIG. 1A when no voltage is applied. When liquid crystal molecules are intercalated between layers, the liquid crystal layer cooperatively attempts to align the molecules with respect to the electric field by applying a voltage. When the dielectric anisotropy of liquid crystal molecules is positive, as shown in FIG. 1B, the liquid crystal molecules are aligned so that the major axis direction is parallel to the direction of the electric field, and at this time, the layer spacing increases. On the other hand, when the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules is negative, as shown in FIG. 1C, the liquid crystal molecules are aligned so that the major axis direction approaches the direction of the electric field, and the layer spacing is reduced at this time. .
[0051]
This change in the layer spacing is a nanometer level minute, but this displacement reaches several to several tens of percent of the original layer spacing. When the entire crystal of the inorganic-organic composite material is observed, its c-axis direction A huge displacement occurs in the (thickness direction). As described above, there is an electrostrictive element such as PZT as an actuator using an inorganic substance, but the displacement is about 0.1%, and the actuator using the inorganic-organic composite material according to the present invention is far more than that. Displacement greater than.
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
[0053]
First, a first embodiment of the present invention will be described. In this first embodiment, KTiNbO as an inorganic layered material.FiveAn inorganic-organic composite material in which liquid crystal is intercalated between the layers, a manufacturing method thereof, and displacement upon application of voltage to the inorganic-organic composite material will be described.
[0054]
FIG. 2 shows the structure of this inorganic-organic composite material when no voltage is applied. As shown in FIG. 2, this inorganic-organic composite material is composed of KTiNbO as an inorganic layered substance.Five5CB layers 15 and 16 as molecular layers exhibiting liquid crystallinity are inserted between the inorganic layers 11 and 12 through butylamine layers 13 and 14 as organic molecular layers. Here, the butylamine layers 13 and 14 and the 5CB layers 15 and 16 have molecular orientation that is in a mirror image relationship with respect to the bisector of the space between the inorganic layers 11 and 12. Butylamine layers 13 and 14 are NHThree +The sides are bonded to the inorganic layers 12 and 13, respectively. The 5CB layers 15 and 16 are oriented so that their CN groups face each other.
[0055]
Next, the manufacturing method of this inorganic organic composite material is demonstrated.
This inorganic-organic composite material is KTiNbOFivePreparation of single crystal, this KTiNbOFiveHTiNbO by single crystal processingFivePreparation of single crystal and this HTiNbOFiveIt is manufactured through a two-step intercalation process for a single crystal. Hereinafter, these steps will be described in detail.
[0056]
KTiNbO Five Single crystal production
First, KTiNbOFiveThe powder is put into a platinum crucible, and this platinum crucible is kept at 1400 ° C. in the atmosphere for 5 hours, then gradually cooled to 1150 ° C. at a cooling rate of 10 ° C./h, and further cooled to room temperature to obtain a molded body. Next, this molded body is fired. As a firing method, a double crucible method was adopted in which the molded body was placed in a platinum crucible having a volume of 20 ml, and this platinum crucible was placed in an alumina crucible that was one size larger and sealed with an alumina lid. The melted solidified body obtained by this firing was taken out from the platinum crucible, and a clean transparent single crystal piece was selected. KTiNbOFiveThe shape of the crystal is generally a plate shape reflecting the anisotropy of the crystal structure. When a single crystal is taken out by mechanical operation, the maximum (2-3) mm × (2-3) The thing of a magnitude | size about mm x (1-2) mm is obtained. KTiNbOFiveThe crystal structure of is shown in FIG.
[0057]
This KTiNbOFiveThe X-ray diffraction pattern of the single crystal is shown in FIG. FIG. 4 shows that only the (001) diffraction peak is seen, and the sample measurement surface is the c-plane. The interplanar spacing calculated from the (002) diffraction peak in the figure was 0.900 nm (9.00 mm). This KTiNbO by EDXFiveWhen the composition of the single crystal was quantitatively analyzed, the metal composition ratio was K: Ti: Nb = 0.97: 1: 0.98.
[0058]
HTiNbO Five Preparation of single crystal (KTiNbO Five → HTiNbO Five )
KTiNbO obtained as described aboveFiveThe single crystal was placed in 1N HCl at room temperature and allowed to stand for 2 weeks. By this treatment, KTiNbOFiveK ions in the single crystal are exchanged for H ions, and HTiNbOFiveA single crystal was obtained. The crystal shape is KTiNbO before ion exchange.FiveThere is almost no change. HTiNbOFiveThe crystal structure of is shown in FIG.
[0059]
This HTiNbOFiveThe X-ray diffraction pattern of the single crystal is shown in FIG. The plane spacing calculated from the (002) diffraction peak in the figure is d = 0.848 nm (8.48 cm), and KTiNbOFiveA slightly smaller value. This HTiNbO by EDXFiveAs a result of quantitative analysis of the composition of the single crystal, the metal composition ratio was K: Ti: Nb = 0.03: 1: 0.98, and it was found that the K component was almost eliminated. Therefore, this HTiNbOFiveSingle crystal is KTiNbOFiveHTiNbO formed by K → H ion exchange while maintaining the crystal structure ofFiveIt is considered to be a single crystal.
[0060]
First stage intercalation: Butylamine-HTiNbO Five Single crystal production
HTiNbO obtained as described aboveFiveN-Butylamine is intercalated into the single crystal. In this intercalation, a 1 mol / l amine solution is prepared using pure water as a solvent, and HTiNbO is prepared.FiveThe reaction was carried out at room temperature for 3 days so that the molar ratio of the amine to the excess was greatly excessive. By this operation, n-butylamine is converted into HTiNbO.FiveIntercalation compound (hereinafter referred to as “butylamine-HTiNbO”)FiveCrystal) was obtained. This butylamine-HTiNbOFiveThe X-ray diffraction pattern of the single crystal is shown in FIG. From FIG. 7, only the diffraction peak derived from (001) was observed, and the plane spacing calculated from the (002) diffraction peak was d = 1.721 nm (18.21Å). This butylamine-HTiNbOFiveThe crystal spacing is HTiNbO.FiveIt is enlarged by about 0.973 nm (9.73 mm) compared with that of, indicating that butylamine was inserted between the layers. When the inclination angle of butylamine existing between the inorganic layers is estimated with reference to FIG. 8, HTiNbOFiveCrystal layer spacing d1= 0.848 nm (8.48 mm), butylamine-HTiNbOFiveCrystal layer spacing d = 1.721 nm (18.21 Å), n-butylamine molecular length a = 0.616 nm (6.16 Å), Δd = d−d1= 0.973 nm (9.73 Å), it is estimated that the inclination angle θ = arcsin (Δd / 2a) = arcsin (0.973 / 2 × 0.616) = 52 °.
[0061]
Next, this butylamine-HTiNbOFiveIn order to clarify the composition of the single crystal, quantitative analysis of nitrogen was performed by the oxygen circulation TCD method. Since one nitrogen atom exists in one molecule of butylamine, the composition of the intercalation compound including the organic molecule can be determined by performing a quantitative analysis of nitrogen. The composition formula obtained from the measurement results is
(Butylamine)0.56HTiNbOFive
Met.
[0062]
Second stage intercalation: 5CB-butylamine-HTiNbO Five Single crystal production
Butylamine-HTiNbO obtained by first stage intercalation as described aboveFiveSecond stage intercalation is performed on the single crystal. Insert material is room temperature nematic liquid crystal 5CB (4-aminobutoxy cyanobiphenyl: CFiveH11(C6HFour)2CN), which is a nematic phase in the range of 22 ° C to 35 ° C. First, butylamine-HTiNbOFiveSeveral single crystals were placed in a glass sample tube, and 5CB (Merck, model number K-15) was poured in an amount sufficient to immerse them in the sample tube. Thereafter, the sealed sample tube was put in an oven, and heat treatment was performed at 130 ° C. for 12 to 60 hours.
[0063]
Butylamine-HTiNbOFiveA sample obtained by heat treating a single crystal together with 5CB at 130 ° C. for 24 hours (hereinafter referred to as “5CB-butylamine-HTiNbO”FiveFIG. 9 shows the X-ray diffraction pattern. From FIG. 9, only the diffraction peak derived from (001) was observed, and the layer interval calculated from the (002) diffraction peak was d = 3.994 nm (39.94 cm). This is butylamine-HTiNbOFiveCompared to the above, it is greatly enlarged to about 2.173 nm (21.73 mm), and it can be considered that 5CB was inserted between the layers. This change in the layer spacing is sufficiently larger than the molecular length of 1.539 nm (16.39 mm) of 5CB (calculated by MOPAC), and the inclination angle of butylamine with respect to the inorganic layer intercalated in the first stage intercalation Is invariable, two or more molecular layers are inserted between the layers. Assuming that the tilt angle of butylamine is unchanged and that there are two molecular layers of 5CB, the tilt angle of 5CB is estimated with reference to FIG. 10, and butylamine-HTiNbOFiveSingle crystal layer spacing d1= 1.821 nm (18.21 mm), 5CB-butylamine-HTiNbOFiveCrystal layer spacing d = 3.994 nm (39.94Å) (heat treatment condition 130 ° C., 24 hours), 5CB molecular length a = 1.539 nm (16.39Å), Δd = d−d1Since it is = 2.173 nm (21.73 mm), it is estimated that the inclination angle θ = arcsin (Δd / 2a) = arcsin (2.173 / 2 × 1.639) = 42 °.
[0064]
FIG. 11 shows butylamine-HTiNbO.FiveThe relationship between reaction time and layer spacing when 5CB is inserted between the layers is shown. However, the reaction temperature was 130 ° C. From FIG. 11, the layer spacing increases with the increase in reaction time. From this, it can be seen that as the heat treatment time increases, a large amount of 5CB is inserted between the layers, and the layer spacing increases.
[0065]
Butylamine-HTiNbOFiveInfrared (IR) measurement was performed to further confirm that 5CB was inserted into the. FIG. 12 shows 5CB-butylamine-HTiNbO.FiveThe IR spectrum of a single crystal (heat treatment condition 130 ° C., 24 hours) is shown. In this system, it is easy to confirm that 5CB has been inserted. This is 2200cm for 5CB-1There is a clear peak derived from the stretching vibration of the nearby cyano group (C≡N), but butylamine-HTiNbOFiveBecause there is no such thing. FIG. 12 clearly shows that a peak derived from a cyano group is present, so that 5CB is inserted.
[0066]
Next, this 5CB-butylamine-HTiNbOFiveConsider the displacement when an electric field is applied to the crystal. Since 5CB is a liquid crystal having positive dielectric anisotropy, when an electric field is applied, the major axis of the molecule is aligned so as to be parallel to the electric field vector. In the initial state where no electric field is applied, when the inclination angle of 5CB molecules relative to the inorganic layer is 42 °, when the inclination angle changes to 90 ° by application of the electric field, the increase in the layer spacing is 2.2 nm (22 cm). Therefore, in this crystal, an extremely large extension of 54% at the maximum in the c-axis direction can be obtained as compared to before application of the electric field.
[0067]
Next explained is the second embodiment of the invention. In the second embodiment, 4-aminobutoxy-4′-cyanobiphenyl (hereinafter referred to as “aminobioxy-4′-cyanobiphenyl”) is used instead of n-butylamine used as the guest organic substance in the first embodiment. Called ABCB).
[0068]
The structure of the inorganic-organic composite material according to the second embodiment when no voltage is applied corresponds to a structure in which the butylamine layer in FIG. 2 is replaced with an ABCB layer.
[0069]
Next, the manufacturing method of this inorganic organic composite material is demonstrated.
This inorganic-organic composite material is KTiNbOFiveSingle crystal fabrication, KTiNbOFiveHTiNbO by single crystal processingFiveSingle crystal fabrication and HTiNbOFiveManufactured through a two-step intercalation process for a single crystal, KTiNbOFiveFrom single crystal production to HTiNbOFiveSince the process up to the production of the single crystal is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted, and HTiNbO is omitted.FiveOnly the two-stage intercalation process for a single crystal will be described.
[0070]
First stage intercalation: ABCB-HTiNbO Five Single crystal production
The synthesis of ABCB used in the first stage intercalation was performed with reference to the method reported by Kawasumi et al. (Mol. Cryst. Liq. Cryst., 281 (1996) 91.). The obtained ABCB was mixed with a water / ethanol mixed solvent (H2O: C2HFiveIt was dissolved in OH = 1: 1) to prepare a 0.1 mol / l ABCB solution. This solution is put into a sample tube and ABCB: HTiNbO is added to this.FiveThe HTiNbO crystal was added so that = 10: 1. The size of each crystal was 1 to 2 mm square, and the thickness was about 0.1 to 0.5 mm. The sample tube was sealed, placed in an oven, and heat-treated at 70 ° C. for 12 hours.
[0071]
By this operation, ABCB becomes HTiNbO.FiveIntercalation compound (hereinafter referred to as “ABCB-HTiNbO”FiveCrystal) was obtained. This ABCB-HTiNbOFiveThe X-ray diffraction pattern of the single crystal is shown in FIG. As shown in FIG. 13, a diffraction peak derived from (001) was observed, and the interplanar spacing calculated from the (002) diffraction peak was d = 3.293 nm (32.93 Å). This is HTiNbOFive2.45 nm (24.45 cm) is larger than that of ABCB, and it can be considered that ABCB was inserted between the layers. Assuming that the ABCB molecule inserted between the layers forms a bimolecular layer between the inorganic layers, the molecular length of ABCB is 1.682 nm (16.82 cm) (calculated by MOPAC). The tilt angle for the layer is arcsin-1It is estimated that (2.445 / (2 × 1.682)) = 47 °.
[0072]
Next, ABCB-HTiNbOFiveQuantitative analysis of nitrogen was performed to clarify the composition. The resulting composition formula is
(ABCB)0.62HTiNbOFive
Met.
[0073]
Second stage intercalation: 5CB-ABCB-HTiNbO Five Single crystal production
ABCB-HTiNbO with first stage intercalationFiveSingle crystal was second stage intercalated. The insertion material is room temperature nematic liquid crystal 5CB which is the same as that used in the first embodiment.
[0074]
ABCB-HTiNbOFiveA sample obtained by heat-treating a single crystal together with 5CB at 130 ° C. for 12 hours (hereinafter referred to as “5CB-ABCB-HTiNbO”).FiveFIG. 14 shows an X-ray diffraction pattern. From the X-ray diffraction pattern of the same figure, a (001) diffraction peak was observed, and the layer spacing calculated from the (002) diffraction peak was d = 3.855 nm (38.55Å). This is ABCB-HTiNbOFiveIt is enlarged by about 0.562 nm (5.62 cm) compared with the above, and it can be considered that 5CB was inserted between the layers. Since the change in the layer spacing is considerably smaller than the molecular length of 5CB (1.639 nm (16.39 cm)), the inserted 5CB is expected to form a single molecular layer. Assuming that the 5CB between the layers forms a monolayer and that the tilt angle of ABCB is unchanged, the tilt angle of 5CB inserted between the layers by the second stage intercalation process is arcsin.-1It is estimated that (0.562 / 1.639) = 20 °.
[0075]
FIG. 15 shows ABCB-HTiNbO.FiveThe relationship between reaction time and layer spacing when 5CB is inserted between the layers is shown. FIG. 15 shows that the layer spacing tends to increase depending on the reaction time. From this, it can be seen that as the reaction time increases, 5CB is inserted in a large amount between the layers, and the layer spacing increases.
Next, this 5CB-ABCB-HTiNbOFiveConsider the displacement when an electric field is applied to a single crystal. Assuming that the 5CB molecular tilt angle with respect to the inorganic layer is 20 ° in the initial state where no electric field is applied when 5CB is contained between the layers, if the tilt angle changes to 90 ° by the application of the electric field, the layer spacing The increase of 1.077 nm (10.77 mm) is 28%.
[0076]
Next explained is the third embodiment of the invention. In the third embodiment, an actuator using an inorganic / organic composite material (intercalation compound) according to the present invention will be described.
[0077]
FIG. 16 shows a basic unit of the actuator according to the third embodiment.
The inorganic-organic composite material (intercalation compound) used in this actuator may be that of the first embodiment or the second embodiment, or liquid crystal molecules other than 5CB or HTiNbO.FiveThose using other inorganic layered materials may be selected as necessary. In this actuator, electrodes 22 and 23 are provided on both upper and lower surfaces of a columnar inorganic organic composite material 21 such as a cylinder or a rectangular parallelepiped, and lead wires 24 and 25 are taken out from these electrodes 22 and 23, respectively. The inorganic-organic composite material 21 preferably has a bulk crystal, thin film, or thick film shape that is highly oriented in the c-axis direction so that a large displacement can be efficiently obtained. Is a single crystal, a high c-axis oriented polycrystal, a high c-axis oriented thin film, and the like. The outer peripheral surfaces of the inorganic organic composite material 21 and the electrodes 22 and 23 prevent leakage of liquid crystal molecules existing between the inorganic layers of the inorganic organic composite material 21 and separation of the inorganic layer accompanying expansion and contraction of the inorganic organic composite material 21. In order to maintain the shape, a coating 26 made of an organic polymer is applied. The material of the coating 26 made of organic polymer is basically any material as long as it has excellent durability and has elasticity and flexibility so as not to become a burden when driving the inorganic-organic composite material. Specifically, for example, silicone rubber, fluororubber, chloroprene rubber and the like are used.
[0078]
FIG. 17 shows a laminated actuator according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 17, this laminated actuator is obtained by laminating a plurality of basic units of the actuator shown in FIG. 16 in the c-axis direction, which is the expansion / contraction direction, so that sufficient displacement can be obtained. Here, it is important that a plurality of actuators are laminated in the extending and contracting direction, and the overall shape of the laminated actuator may be an arbitrary shape such as a rectangular parallelepiped or a cylinder. Although FIG. 17 shows a case where the number of basic units is 4, the number of basic units is selected as necessary. A voltage is applied to the actuator of each unit from the outside through lead wires 24 and 25.
[0079]
FIG. 18 shows a fibrous actuator according to a fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 18, this fibrous actuator is based on a structure in which the number of stages of the laminated actuator shown in FIG. 17 is sufficiently increased to form a fibrous form as a whole, and a plurality of them are bundled in parallel. is there.
[0080]
According to the fifth embodiment, since the actuator is configured by bundling a plurality of fibrous laminated actuators in parallel, the generation force and strength of the actuator can be dramatically increased. Further, each fiber of this actuator is flexible and is driven cooperatively by applying a voltage, so that it is suitable as an actuator imitating the muscles of a living organism.
[0081]
According to the third, fourth, and fifth embodiments described above, a high-performance actuator having characteristics such as flexibility, high-speed response, and large displacement is realized, which is suitable for fields such as robotics and medicine. Can be used.
Here, when the actuators according to the third, fourth, and fifth embodiments are compared with the displacement elements disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 05-110153 and 06-125120, there are many as follows. Has the advantage of
(1) Although the element disclosed in the above publication is an all solid type, the actuators according to the third, fourth, and fifth embodiments are not all solid because the liquid crystal is inserted between the layers of the inorganic layered material. This is the biggest difference. Since compounding with liquid crystal gives the element flexibility, an artificial element that requires flexible characteristics such as biological muscles can be obtained. This is a great advantage in the development of autonomous robots that have developed in recent years.
(2) In the device disclosed in the above publication, the intercalation reaction is performed only in one stage in the embodiment. On the other hand, in the actuators according to the third, fourth and fifth embodiments, two or more stages of intercalation are performed when manufacturing the inorganic-organic composite material constituting the actuator. According to this method, it is possible to obtain advantages such as that most liquid crystal molecules can be inserted and that the amount of liquid crystal molecules inserted can be easily controlled by the insertion temperature and time.
(3) In the device disclosed in the above publication, the powder of the intercalation substance is used in the examples, but this cannot sufficiently utilize the anisotropy peculiar to the intercalation substance. On the other hand, the actuators according to the third, fourth and fifth embodiments use a single crystal which is an optimum matrix for obtaining displacement.
[0082]
FIG. 19 shows a drive system according to a sixth embodiment of the present invention. This drive system is an artificial antagonist muscle drive system.
As shown in FIG. 19, this drive system is a combination of two artificial muscles 61 and 62. As these artificial muscles 61 and 62, for example, an actuator similar to that of the fifth embodiment can be used. The artificial muscle 61 is stored in a container 63, and the transmission rods 64 at both ends of the artificial muscle 61 are drawn out of the container 63. Similarly, the artificial muscle 62 is housed in the container 65, and the transmission rods 66 at both ends of the artificial muscle 62 are drawn out of the container 65. The transmission rods 64 and 66 at one end of the artificial muscles 61 and 62 are connected to the column 67. Similarly, the transmission rods 64 and 66 at the other ends of the artificial muscles 61 and 62 are connected to the support column 68. These struts 67 and 68 are coupled to each other through a joint 69 and can rotate around the joint 69.
[0083]
In the sixth embodiment, the artificial muscles 61 and 62 are antagonized with respect to the pillars 67 and 68 that hit the bones of the organism. That is, a similar operation to the antagonistic muscle can be performed by the cooperative operation of the artificial muscles 61 and 62. For example, the lengths of the artificial muscles 61 and 62 when no voltage is applied are all equal to L, and the voltage V between the electrodes of each actuator constituting them is equal.1In the state shown in FIG. 19, the artificial muscle 61 is contracted when the length of the artificial muscles 61 and 62 is L + ΔL / 2, for example, when the extension amount when Δ is applied is ΔL. In contrast, the artificial muscle 62 extends in the opposite direction. In this case, the voltage V applied between the electrodes of each actuator constituting the artificial muscle 61.2Is 0 <V2<V1The voltage V applied between the electrodes of each actuator constituting the artificial muscle 62ThreeIs V1<VThreeIt is.
[0084]
According to the fifth embodiment, the same advantages as in the third, fourth or fifth embodiment can be obtained, and the two artificial muscles 61 and 62 are combined to constitute an antagonistic muscle. Thus, an advantage can be obtained in that a balanced movement can be achieved as compared with the case where the artificial muscle is driven alone.
[0085]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
[0086]
For example, the numerical values, materials, structures, shapes, processes, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, materials, structures, shapes, processes, and the like may be used as necessary.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in an inorganic-organic composite material comprising a host inorganic layered substance and at least one kind of guest organic substance present between the host inorganic layered substance, at least one kind of guest organic Inorganic organic composite material that has satisfactory performance in terms of toughness, flexibility, magnitude of displacement obtained, response speed, energy efficiency in taking out displacement, etc., by including organic molecules having liquid crystallinity Actuators and artificial muscles can be realized. These inorganic-organic composite materials, actuators, and artificial muscles can be easily manufactured by an intercalation technique.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a driving mechanism by applying a voltage of an inorganic-organic composite material according to the present invention in which a liquid crystal is inserted between layers of an inorganic layered substance.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a crystal structure of an inorganic-organic composite material according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 KTiNbOFiveIt is a basic diagram which shows the crystal structure of this.
FIG. 4 shows KTiNbO produced in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the X-ray-diffraction pattern of a crystal | crystallization.
FIG. 5: HTiNbOFiveIt is a basic diagram which shows the crystal structure of this.
FIG. 6 shows an HTiNbO fabricated in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the X-ray-diffraction pattern of a crystal | crystallization.
FIG. 7 shows butylamine-HTiNbO produced in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the X-ray-diffraction pattern of a crystal | crystallization.
FIG. 8 shows butylamine-HTiNbO produced in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram for estimating the inclination angle of butylamine between crystal layers.
FIG. 9 shows 5CB-butylamine-HTiNbO prepared in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the X-ray-diffraction pattern of a crystal | crystallization.
FIG. 10 shows 5CB-butylamine-HTiNbO prepared in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram for estimating the inclination angle of 5CB between crystal | crystallization layers.
FIG. 11 shows 5CB-butylamine-HTiNbO prepared in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the relationship between the layer interval of a crystal | crystallization, and reaction time.
FIG. 12 shows 5CB-butylamine-HTiNbO prepared in the first embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the infrared spectrum of a crystal | crystallization.
FIG. 13 shows ABCB-HTiNbO fabricated in the second embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the X-ray-diffraction pattern of a crystal | crystallization.
FIG. 14 shows 5CB-ABCB-HTiNbO fabricated in the second embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the X-ray-diffraction pattern of a crystal | crystallization.
FIG. 15 shows 5CB-ABCB-HTiNbO fabricated in the second embodiment of the present invention.FiveIt is a basic diagram which shows the relationship between the layer interval of a crystal | crystallization, and reaction time.
FIG. 16 is a sectional view showing an actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a multilayer actuator according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 18 is a schematic diagram showing a fibrous actuator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a sectional view showing a drive system according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 12 ... Inorganic layer, 13, 14 ... Butylamine layer, 15, 16 ... 5CB layer, 21 ... Inorganic organic composite material, 22, 23 ... Electrode, 24, 25 ... Lead wire, 26 ... coating with organic polymer, 61, 62 ... artificial muscle

Claims (6)

n−ブチルアミンまたは4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニルからなる一対の有機分子層をHTiNbO 5 単結晶からなるホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、
上記一対の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートした後、室温ネマティック液晶5CBからなる少なくとも一層の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する無機有機複合材料の製造方法。
intercalating a pair of organic molecular layers composed of n-butylamine or 4-aminobutoxy-4′-cyanobiphenyl between layers of a host inorganic layered material composed of an HTiNbO 5 single crystal ;
Intercalating the pair of organic molecular layers between the layers of the host inorganic layered material, and then intercalating at least one organic molecular layer comprising the room temperature nematic liquid crystal 5CB between the layers of the host inorganic layered material. A method for producing an inorganic-organic composite material.
上記ホスト無機層状物質をn−ブチルアミンまたは4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニルの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記一対の有機分子層をインターカレートし、上記ホスト無機層状物質を室温ネマティック液晶5CBの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記室温ネマティック液晶5CBからなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする請求項1記載の無機有機複合材料の製造方法。The host inorganic layered material is brought into contact with a solution or melt of n-butylamine or 4-aminobutoxy-4′-cyanobiphenyl and held at a predetermined temperature for a predetermined time, whereby the pair of host inorganic layered materials is interposed between the host inorganic layered materials. The organic inorganic layer is intercalated, and the host inorganic layered material is brought into contact with the solution or melt of room temperature nematic liquid crystal 5CB and held at a predetermined temperature for a predetermined time, so that the room temperature layer is interposed between the host inorganic layered materials. The method for producing an inorganic-organic composite material according to claim 1, wherein at least one organic molecular layer composed of the nematic liquid crystal 5CB is intercalated. n−ブチルアミンまたは4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニルからなる一対の有機分子層をHTiNbOA pair of organic molecular layers composed of n-butylamine or 4-aminobutoxy-4'-cyanobiphenyl is converted into HTiNbO. 5 Five 単結晶からなるホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、Intercalating between layers of a host inorganic layered material made of a single crystal;
上記一対の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートした後、室温ネマティック液晶5CBからなる少なくとも一層の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有するアクチュエータの製造方法。Intercalating the pair of organic molecular layers between the layers of the host inorganic layered material, and then intercalating at least one organic molecular layer comprising the room temperature nematic liquid crystal 5CB between the layers of the host inorganic layered material. Actuator manufacturing method.
上記ホスト無機層状物質をn−ブチルアミンまたは4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニルの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記一対の有機分子層をインターカレートし、上記ホスト無機層状物質を室温ネマティック液晶5CBの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記室温ネマティック液晶5CBからなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする請求項3記載のアクチュエータの製造方法。The host inorganic layered material is brought into contact with a solution or melt of n-butylamine or 4-aminobutoxy-4′-cyanobiphenyl and held at a predetermined temperature for a predetermined time, whereby the pair of host inorganic layered materials is interposed between the host inorganic layered materials. The organic inorganic layer is intercalated, and the host inorganic layered material is brought into contact with the solution or melt of room temperature nematic liquid crystal 5CB and held at a predetermined temperature for a predetermined time, so that the room temperature layer is interposed between the host inorganic layered materials. 4. The method of manufacturing an actuator according to claim 3, wherein at least one organic molecular layer composed of the nematic liquid crystal 5CB is intercalated. n−ブチルアミンまたは4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニルからなる一対の有機分子層をHTiNbOA pair of organic molecular layers composed of n-butylamine or 4-aminobutoxy-4'-cyanobiphenyl is converted into HTiNbO. 5 Five 単結晶からなるホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、Intercalating between layers of a host inorganic layered material made of a single crystal;
上記一対の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートした後、室温ネマティック液晶5CBからなる少なくとも一層の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する人工筋肉の製造方法。Intercalating the pair of organic molecular layers between the layers of the host inorganic layered material, and then intercalating at least one organic molecular layer comprising the room temperature nematic liquid crystal 5CB between the layers of the host inorganic layered material. Artificial muscle manufacturing method.
上記ホスト無機層状物質をn−ブチルアミンまたは4−アミノブトキシ−4’−シアノビフェニルの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記一対の有機分子層をインターカレートし、上記ホスト無機層状物質を室温ネマティック液晶5CBの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記室温ネマティック液晶5CBからなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする請求項5記載の人工筋肉の製造方法。The host inorganic layered material is brought into contact with a solution or melt of n-butylamine or 4-aminobutoxy-4′-cyanobiphenyl and held at a predetermined temperature for a predetermined time, whereby the pair of host inorganic layered materials is interposed between the host inorganic layered materials. The organic inorganic layer is intercalated, and the host inorganic layered material is brought into contact with the solution or melt of room temperature nematic liquid crystal 5CB and held at a predetermined temperature for a predetermined time, so that the room temperature layer is interposed between the host inorganic layered materials. The method for producing an artificial muscle according to claim 5, wherein at least one organic molecular layer composed of the nematic liquid crystal 5CB is intercalated.
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