JP5120909B2 - Method for producing colloidal crystal gel, colloidal crystal gel, and optical element - Google Patents

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Description

本発明は、コロイド結晶ゲルの製造方法に関し、より詳細には、比較的広い広がりを有する特定波長帯の光を不透過または低透過にするコロイド結晶ゲルの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a colloidal crystal gel, and more particularly, to a method for producing a colloidal crystal gel that makes light of a specific wavelength band having a relatively wide spread opaque or low-transmitted.

近年、内部に周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶に関する研究が盛んである。フォトニック結晶は、ある特定の波長の光を不透過にする光の禁制帯(フォトニックバンドギャップ)を有しており、このような特徴を利用した光機能デバイス、光チップ、光増幅器、レーザ、さらには量子通信、演算等の新技術の開発も期待されている。   In recent years, research on photonic crystals having a periodic refractive index distribution has been actively conducted. A photonic crystal has a light forbidden band (photonic band gap) that does not transmit light of a specific wavelength, and an optical functional device, an optical chip, an optical amplifier, a laser using such characteristics. Furthermore, development of new technologies such as quantum communication and computation is also expected.

このようなフォトニック結晶として、コロイド分散液中で単分散微粒子が粒子間の静電相互作用により、自己組織的に三次元構造を成したコロイド結晶が知られている。最近では、コロイド結晶に高分子ゲルを適用することによって、粒子を固定化したコロイド結晶ゲルが開発されている。このようなコロイド結晶は、その格子定数から、可視光から近赤外光領域にフォトニックバンドギャップの形成に起因する、光が不透過または低透過になる波長帯(ストップバンド)が生じることが分かっており、フィルタ、スイッチ、リミッタ、センサ等の光学応用が期待されている。   As such a photonic crystal, a colloidal crystal in which monodisperse fine particles form a self-organized three-dimensional structure by electrostatic interaction between particles in a colloidal dispersion is known. Recently, a colloidal crystal gel in which particles are immobilized by applying a polymer gel to the colloidal crystal has been developed. Such a colloidal crystal may have a wavelength band (stop band) in which light is not transmitted or is low-transmitted due to the formation of a photonic band gap from the visible light to the near-infrared light region due to its lattice constant. As is known, optical applications such as filters, switches, limiters, sensors, etc. are expected.

このようなコロイド結晶におけるフォトニック結晶としての光学特性を利用する場合、可視光を反射するストップバンドの利用が中心となるため、ストップバンドの中心波長を任意に変化させる技術に加えて、ストップバンド幅を任意に変化させる技術が必要とされている。   When utilizing the optical characteristics of such colloidal crystals as photonic crystals, the use of stopbands that reflect visible light is central, so in addition to the technology that arbitrarily changes the center wavelength of the stopbands, A technique for arbitrarily changing the width is required.

コロイド結晶のストップバンドの中心波長を任意に変化させる技術として、応力の印加または溶媒置換によってゲルを膨潤または収縮させることによって、粒子の格子間距離を変化させる技術がある(例えば、非特許文献1を参照のこと。)。しかしながら、ストップバンド幅は、粒子と溶媒との屈折率コントラストによって決定されることが知られているが、これらを制御する技術は未だ開発されていない。   As a technique for arbitrarily changing the center wavelength of the stop band of the colloidal crystal, there is a technique for changing the interstitial distance of particles by swelling or shrinking the gel by applying stress or replacing the solvent (for example, Non-Patent Document 1). checking.). However, it is known that the stop band width is determined by the refractive index contrast between the particles and the solvent, but a technique for controlling these has not been developed yet.

Iwayama et al., Langmuir, Vol. 19, pages 977−980, 2003.Iwayama et al. Langmuir, Vol. 19, pages 977-980, 2003.

したがって、本発明の目的は、ストップバンド幅(不透過帯)が制御されたコロイド結晶ゲルの製造方法を提供することである。ここで、ストップバンド幅とは、フォトニックバンドギャップの形成に起因して生ずる、広がりを持った特定の波長帯の光が透過し辛い波長範囲であり、例えば、光の透過率が40%以下となる波長範囲と定義して定量的に決定されるが、この限界の透過率の値は用途に応じて40%とは異なる範囲に設定してもよい。
ここに、「ストップバンド幅の制御」とは、コロイド結晶ゲルのストップバンド幅を任意に変化させることを意味する。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a colloidal crystal gel with a controlled stop band width (impermeable band). Here, the stop band width is a wavelength range that is caused by the formation of the photonic band gap and that is difficult to transmit light in a specific wavelength band having a spread. For example, the light transmittance is 40% or less. It is determined quantitatively by defining the wavelength range to be, but the transmittance value at this limit may be set to a range different from 40% depending on the application.
Here, “control of the stop band width” means to arbitrarily change the stop band width of the colloidal crystal gel.

本発明によるコロイド結晶ゲルを製造する方法は、コロイド結晶を提供する工程であって、前記コロイド結晶は、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含む、工程と、前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなるまで、前記コロイド結晶を保持する工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。
The method for producing a colloidal crystal gel according to the present invention is a step of providing a colloidal crystal, wherein the colloidal crystal includes a solvent, a monomer, a crosslinking agent, a photopolymerization initiator, and particles that are periodically spatially arranged. a step, a step of irradiating light to the colloidal crystal, the irradiation conditions of the light does not satisfy the critical irradiation conditions, and the gel within the colloidal crystal uneven, a step, wherein Generating a plurality of regions having different interplanar spacing in the colloidal crystal and holding the colloidal crystal until there is no change in the opaque band of the transmission spectrum of the colloidal crystal, thereby achieving the above object .

前記粒子は、ポリスチレン粒子、シリカ粒子、および、ポリメチルメタクリレート粒子からなる群から選択され得る。   The particles may be selected from the group consisting of polystyrene particles, silica particles, and polymethyl methacrylate particles.

前記モノマーは、N−メチロールアクリルアミド、または、アクリルアミドであり得る。   The monomer may be N-methylol acrylamide or acrylamide.

前記提供する工程は、不活性ガスでバブリングを行う工程を包含し得る。   The providing step may include bubbling with an inert gas.

前記提供する工程は、キャピラリーセルを用いて前記コロイド結晶を流動させる工程を包含し得る。   The providing step may include the step of flowing the colloidal crystal using a capillary cell.

前記光を照射する工程は、発光ダイオードを用い得る。   In the step of irradiating the light, a light emitting diode can be used.

前記保持する工程において、前記複数の領域における前記面間隔のそれぞれは、前記コロイド結晶が提供されたセルの壁面に垂直な方向に拡大および縮小し得る。
In the holding step , each of the interplanar spacings in the plurality of regions may be enlarged and reduced in a direction perpendicular to the wall surface of the cell provided with the colloidal crystal.

本発明によるコロイド結晶ゲルを製造する方法は、コロイド結晶を提供する工程であって、前記コロイド結晶は、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含む、工程と、前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、前記コロイド結晶を保持する工程であって、前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなる前に保持を中止する、工程と、前記保持する工程後に前記コロイド結晶にさらなる光を照射する工程であって、前記光を照射する工程における光照射条件と、前記さらなる光を照射する工程における光照射条件との合計光照射条件は、少なくとも前記臨界照射条件を満たす、工程とを包含し、これにより上記目的を達成する。The method for producing a colloidal crystal gel according to the present invention is a step of providing a colloidal crystal, wherein the colloidal crystal includes a solvent, a monomer, a crosslinking agent, a photopolymerization initiator, and particles that are periodically spatially arranged. And a step of irradiating the colloidal crystal with light, wherein the irradiation condition of the light does not satisfy a critical irradiation condition, and the gelation in the colloidal crystal is made nonuniform. Holding the colloidal crystal, generating a plurality of regions having different interplanar spacing in the colloidal crystal, and stopping the holding before there is no change in the opaque band of the transmission spectrum of the colloidal crystal; and The step of irradiating the colloidal crystal with further light after the holding step, the light irradiation condition in the step of irradiating the light, and the light irradiation in the step of irradiating the further light. Total light irradiation conditions and conditions, include at least the critical irradiation condition is satisfied, and a step, thereby achieving the above object.

本発明によるコロイド結晶ゲルは、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含むコロイド結晶を提供する工程と、前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなるまで、前記コロイド結晶を保持する工程と包含する方法によって製造され、前記面間隔の異なる複数の領域を有し、これにより上記目的を達成する。
The colloidal crystal gel according to the present invention includes a step of providing a colloidal crystal comprising a solvent, a monomer, a crosslinking agent, a photopolymerization initiator, and particles periodically arranged in space, and a step of irradiating the colloidal crystal with light. The irradiation condition of the light does not satisfy the critical irradiation condition and makes the gelation in the colloidal crystal non-uniform, and generates a plurality of regions having different plane intervals in the colloidal crystal, The colloidal crystal is manufactured by a method including and including the step of holding the colloidal crystal until there is no change in the opaque band of the transmission spectrum of the colloidal crystal, and has a plurality of regions having different face spacings, thereby achieving the above object. .

本発明による光学素子は、上記コロイド結晶ゲルを用い得る。   The colloidal crystal gel can be used for the optical element according to the present invention.

本発明による製造方法によれば、コロイド結晶を提供する工程と、コロイド結晶に臨界照射条件を満たさない光を照射する工程と、コロイド結晶を保持する工程とを包含する。ゲル化の臨界照射条件を満たさないように光が照射されるので、ゲル化が不十分となり、ゲル化の進行度合いに空間的なむら(ゲル化の進行度合いが異なる領域)が生じる。その後、光照射されたコロイド結晶を保持することによって、場所によって膨潤度の異なるコロイド結晶ゲルが生成される。その結果、コロイド結晶ゲル内で格子面間隔に分布が生じ、不透過帯または低透過帯の広いコロイド結晶ゲルが製造され得る。   The production method according to the present invention includes a step of providing a colloidal crystal, a step of irradiating the colloidal crystal with light that does not satisfy critical irradiation conditions, and a step of holding the colloidal crystal. Since light is irradiated so as not to satisfy the critical irradiation conditions for gelation, gelation becomes insufficient, and spatial unevenness (regions with different degrees of gelation) occurs in the degree of gelation. Thereafter, by holding the colloidal crystal irradiated with light, colloidal crystal gels having different degrees of swelling are generated depending on the location. As a result, a distribution occurs in the lattice spacing in the colloidal crystal gel, and a wide colloidal crystal gel with an impermeable band or a low transmission band can be produced.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明のコロイド結晶ゲルの製造工程を示す図である。
工程ごとに説明する。
工程S110:コロイド結晶を提供する。コロイド結晶の作製には、任意の公知の方法が用いられ得る。例えば、脱塩法(イオン交換樹脂などにより不純物塩を除去する方法)および濃縮法(溶媒の蒸発や遠心分離などにより粒子濃度を上昇させる方法)であるが、これらに限定されない。コロイド結晶は、溶媒と周期的に空間配列された粒子とを含む。
粒子は、コロイド粒子とも呼ばれ、平均粒径が50nm〜1000nmのものが採用され得る。粒子は、好ましくは、シリカ粒子、ポリスチレン粒子、および、ポリメチルメタクリレート粒子からなる群から選択され得るが、これらに限定されない。コロイド結晶の分散媒は水または水性溶媒である。水性溶媒とは、水溶性化合物の水溶液である。具体的には、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム等の水溶性塩や、エタノールやエチレングリコール等のアルコールであり得るが、これらに限定されない。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a process for producing a colloidal crystal gel of the present invention.
Each process will be described.
Step S110: A colloidal crystal is provided. Any known method can be used to produce the colloidal crystal. For example, a desalting method (a method for removing impurity salts with an ion exchange resin or the like) and a concentrating method (a method for increasing the particle concentration by evaporation of a solvent, centrifugation, or the like) are not limited thereto. The colloidal crystal includes a solvent and periodically spatially arranged particles.
The particles are also called colloidal particles, and those having an average particle diameter of 50 nm to 1000 nm can be adopted. The particles can preferably be selected from the group consisting of, but not limited to, silica particles, polystyrene particles, and polymethylmethacrylate particles. The dispersion medium of the colloidal crystal is water or an aqueous solvent. An aqueous solvent is an aqueous solution of a water-soluble compound. Specifically, for example, it may be a water-soluble salt such as sodium chloride or potassium chloride, or an alcohol such as ethanol or ethylene glycol, but is not limited thereto.

コロイド結晶は、後に、ゲル化するために、モノマーと架橋剤と光重合開始剤とをさらに含む。モノマーは、例えば、N−メチロールアクリルアミドまたはアクリルアミドであり得る。架橋剤は、例えば、ビスアクリルアミドであり得る。光重合開始剤は、例えば、カンファーキノンであり得る。ここで、粒子は、コロイド結晶全体にわたって、ある特定の方向に対して垂直な平面(以下、基盤面という)に平行な格子面であって、実質的に同一の面間隔を有する格子面を形成するように周期的に空間配列されている。このような粒子配列構造は、光をBragg反射し得る。   The colloidal crystal further includes a monomer, a crosslinking agent, and a photopolymerization initiator for later gelation. The monomer can be, for example, N-methylolacrylamide or acrylamide. The crosslinker can be, for example, bisacrylamide. The photopolymerization initiator can be, for example, camphorquinone. Here, the particles form a lattice plane that is parallel to a plane perpendicular to a specific direction (hereinafter referred to as a base plane) and has substantially the same plane spacing throughout the colloidal crystal. Are periodically arranged in space. Such a particle arrangement structure can Bragg reflect light.

工程S120:コロイド結晶に光を照射する。光は、光重合開始剤を活性化させる波長成分を含む光であれば任意であるが、例えば、発光ダイオードを用いて照射される。その光照射条件はコロイド結晶のゲル化の臨界照射条件を満たさないことに留意されたい。光を照射することによって、光重合開始剤が励起され、モノマー間およびモノマーと架橋剤との間の重合反応を開始させ、高分子網目を形成する。   Step S120: irradiating the colloidal crystal with light. The light is arbitrary as long as it includes a wavelength component that activates the photopolymerization initiator, but is irradiated using, for example, a light emitting diode. Note that the light irradiation conditions do not satisfy the critical irradiation conditions for the gelation of colloidal crystals. By irradiating with light, the photopolymerization initiator is excited to initiate a polymerization reaction between the monomers and between the monomer and the crosslinking agent, thereby forming a polymer network.

ここで、コロイド結晶のゲル化の臨界照射条件について説明する。本発明者らが鋭意研究したところ、一定強度の光を照射した場合、光照射時間がある一定以上であれば、光照射停止後のコロイド結晶の透過スペクトルは、経時変化せず安定であるが、光照射時間が一定以下であれば、透過スペクトルは、経時変化することが判明した。   Here, the critical irradiation conditions for the gelation of the colloidal crystal will be described. As a result of intensive research by the present inventors, when the light irradiation is performed at a certain intensity or longer, the transmission spectrum of the colloidal crystal after the light irradiation has stopped is stable without changing over time. It was found that the transmission spectrum changes with time if the light irradiation time is below a certain level.

ただし、本明細書において、「コロイド結晶の透過スペクトル」とは、基盤面に垂直な光軸に沿って光が透過する場合の透過スペクトルのことを意味する。この光照射時間は照射する光の強度に依存する。   However, in this specification, the “transmission spectrum of a colloidal crystal” means a transmission spectrum when light is transmitted along an optical axis perpendicular to the substrate surface. This light irradiation time depends on the intensity of the irradiated light.

この現象は、光照射時間が一定以下であれば、コロイド結晶のゲル化が不均一かつ不完全となり、ゲル化の進行度合いに空間的なむら(ゲル化の進行度合いが異なる領域)が生じることが原因であると推量される。すなわち、ゲル化の進行度合いによって、領域ごとに膨潤度が異なり得るので、光照射後の平衡化過程で領域ごとに面間隔の異なる領域を生成し得る。   This phenomenon is that when the light irradiation time is below a certain level, the gelation of the colloidal crystals becomes non-uniform and incomplete, and spatial unevenness (regions with different degrees of gelation) occurs in the degree of gelation. Is presumed to be the cause. That is, since the degree of swelling may vary from region to region depending on the degree of gelation, regions having different interplanar spacing can be generated in each region in the equilibration process after light irradiation.

なお、このような面間隔の異なる領域は、ミクロなスケールであることに留意されたい。このように、透過スペクトル特性が安定化するためには、光の照射強度に依存した一定の光照射時間が存在し、それを本明細書では「臨界照射条件」と表現する。   It should be noted that such regions having different surface intervals are on a micro scale. As described above, in order to stabilize the transmission spectrum characteristic, there is a certain light irradiation time depending on the light irradiation intensity, which is expressed as “critical irradiation condition” in this specification.

臨界照射条件は、用いる粒子、溶媒、モノマー、および、架橋剤の組み合わせによって変化することに留意されたい。また、光の照射は、照射強度および/または照射時間を制御することによって、臨界照射条件を満たさないよう調節され得る。予め用いる材料の組み合わせによる臨界照射条件を調べておくことが望ましい。得られた臨界照射条件をメモリ等に記録しておけば、プログラム制御によって機械的に本発明のコロイド結晶ゲルを製造することができる。   Note that the critical irradiation conditions vary depending on the combination of particles, solvent, monomer, and crosslinker used. Also, the light irradiation can be adjusted so as not to satisfy the critical irradiation conditions by controlling the irradiation intensity and / or the irradiation time. It is desirable to investigate the critical irradiation conditions depending on the combination of materials used in advance. If the obtained critical irradiation conditions are recorded in a memory or the like, the colloidal crystal gel of the present invention can be mechanically produced by program control.

工程S130:ゲル化が不均一で不完全なコロイド結晶を保持する。これによって、工程S120で不均一であったゲル組織の膨潤平衡が進行し、領域ごとに面間隔の異なる領域が生成される。   Step S130: Hold incomplete colloidal crystals with non-uniform gelation. As a result, the swelling equilibrium of the gel structure that was not uniform in step S120 proceeds, and regions having different surface intervals are generated for each region.

一方、ゲル組織の膨潤平衡が完全に達成される前に保持を中止した場合、工程S120で生じたゲル化の進行度合いの異なるそれぞれの領域における粒子は、各領域においてBragg反射条件を満たす面間隔の分布を広げるように移動するが、面間隔の分布の最大値には到達しない。   On the other hand, when the holding is stopped before the swelling equilibrium of the gel structure is completely achieved, the particles in the respective regions having different degrees of progress of the gelation generated in step S120 are interplanar spacing satisfying the Bragg reflection condition in each region. However, it does not reach the maximum value of the surface spacing distribution.

なお、保持を中止するタイミングは、所望の不透過帯(または低透過帯)に応じて異なる。好ましくは、予め用いる材料の組み合わせによる、ゲル組織の膨潤平衡が完全に達成されるまでの不透過帯の変化を調べておくことが望ましい。得られた不透過帯の変化をメモリ等に記録しておけば、プログラム制御によって機械的に本発明のコロイド結晶ゲルを製造することができる。   Note that the timing of stopping the holding varies depending on the desired non-transmission band (or low transmission band). Preferably, it is desirable to examine the change of the impermeable band until the gel tissue swelling equilibrium is completely achieved by the combination of materials used in advance. If the change of the obtained impermeable band is recorded in a memory or the like, the colloidal crystal gel of the present invention can be mechanically produced by program control.

工程S140:工程S130において、ゲル組織の膨潤平衡が完全に達成される前に保持を中止した場合には、コロイド結晶にさらなる光を照射する。これによって、不透過帯の拡大が停止する。これは、未重合であったモノマーと架橋剤が重合し、ゲル化が完全に進行するためであると推量される。ここでもやはり、光は、光重合開始剤を活性化させる波長成分を含む光であれば任意であるが、工程S120で照射した光の照射条件と、工程S140で照射される光の照射条件との合計光照射条件が、少なくとも臨界照射条件を満たしていれば、不透過帯の拡大を停止させることができる。   Step S140: If the holding is stopped before the swelling equilibrium of the gel structure is completely achieved in Step S130, the colloidal crystal is further irradiated with light. As a result, the expansion of the impermeable band stops. It is presumed that this is because the unpolymerized monomer and the crosslinking agent are polymerized and the gelation proceeds completely. Again, the light can be any light as long as it contains a wavelength component that activates the photopolymerization initiator, but the irradiation conditions of the light irradiated in step S120 and the irradiation conditions of the light irradiated in step S140 If the total light irradiation conditions of the above satisfy at least the critical irradiation conditions, the expansion of the impermeable band can be stopped.

以上説明してきたように、本発明のコロイド結晶ゲルの製造方法によれば、臨界照射条件を満たさないように光が照射されるので、コロイド結晶のゲル化は不均一かつ不完全となり、内部にゲル化の進行度合いの異なる複数の領域(空間的なむら)が存在し得る。その後、このようなコロイド結晶を保持することによって、ゲル組織の膨潤平衡を進行させるので、領域ごとに膨潤度が異なり、内部に異なる面間隔を有する領域が存在するようになる。その結果、従来に比べて広い不透過帯または低透過帯を有するコロイド結晶ゲルが得られる。   As described above, according to the method for producing a colloidal crystal gel of the present invention, since light is irradiated so as not to satisfy the critical irradiation condition, the gelation of the colloidal crystal becomes uneven and incomplete, There may be a plurality of regions (spatial unevenness) having different degrees of gelation. Thereafter, by holding such colloidal crystals, the swelling equilibrium of the gel structure is advanced, so that the degree of swelling varies from region to region, and regions having different interplanar spacing exist. As a result, a colloidal crystal gel having a wider impermeable band or a lower transmission band as compared with the prior art is obtained.

工程S140に続いて、コロイド結晶ゲルに応力を印加するか、または、溶媒を置換することによって、広い不透過帯を維持したままストップバンド中心を変化させてもよい。このようにすれば、可視光領域のうち所望の波長帯を不透過または低透過にするコロイド結晶ゲルを提供することができる。   Subsequent to step S140, the center of the stop band may be changed while maintaining a wide impermeable band by applying stress to the colloidal crystal gel or replacing the solvent. In this way, it is possible to provide a colloidal crystal gel that does not transmit or transmits a desired wavelength band in the visible light region.

図2は、本発明の製造方法によるコロイド結晶ゲルにおけるストップバンド幅を制御するメカニズムを示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing a mechanism for controlling the stop bandwidth in a colloidal crystal gel according to the production method of the present invention.

図2(A)は、コロイド結晶ゲルの面間隔分布の一例を示す。ここで、面間隔とは、図1の工程110で説明した、粒子が基盤面に対して平行な方向に格子面を作った際の、格子面の面間隔を意図している。図2(B)は、コロイド結晶ゲルの透過スペクトルの一例を示す。図2(A)および(B)のいずいれも、点線は、従来技術におけるコロイド結晶ゲルを示し、実線は、本発明の製造方法によるコロイド結晶ゲルを示す。   FIG. 2 (A) shows an example of the interplanar spacing distribution of the colloidal crystal gel. Here, the interplanar spacing is intended to be the interplanar spacing of the lattice planes described in Step 110 of FIG. 1 when the particles form a lattice plane in a direction parallel to the base plane. FIG. 2B shows an example of a transmission spectrum of a colloidal crystal gel. 2A and 2B, the dotted line indicates the colloidal crystal gel in the prior art, and the solid line indicates the colloidal crystal gel according to the production method of the present invention.

図2(A)の点線に示されるように、従来技術によるコロイド結晶ゲルの面間隔は、コロイド結晶ゲル全体にわたって一定であるため、所定の面間隔値に集中しており、面間隔分布に広がりW0はほとんどない。このような面間隔分布を有するコロイド結晶ゲルの透
過スペクトルは、図2(B)の点線に示される。ここで、広がりW0がほとんどないとは
、図2(B)の点線に示されるように、光を不透過にする波長範囲(不透過帯)が、Bragg反射する光の波長の中心波長の5%未満であることをさす。
As shown by the dotted line in FIG. 2 (A), the face spacing of the colloidal crystal gel according to the prior art is constant over the entire colloidal crystal gel, so it is concentrated on a predetermined face spacing value and spreads over the face spacing distribution. There is almost no W 0 . The transmission spectrum of the colloidal crystal gel having such a spacing distribution is shown by the dotted line in FIG. Here, the spread W 0 is scarcely, as shown by the dotted line in FIG. 2B, the wavelength range that does not transmit light (opaque band) is the center wavelength of the light of Bragg reflected light. It means less than 5%.

一方、本発明の製造方法によるコロイド結晶ゲル(図示せず)は、内部に膨潤度の異な
る領域、すなわち、異なる面間隔を有する領域を有している。これにより、図2(A)の実線に示されるように、例えば、所定の面間隔値を中心に一定の広がりWを持った正規分布の面間隔分布が得られる。広がりW0とWとは、関係W0<Wを満たす。
On the other hand, a colloidal crystal gel (not shown) produced by the production method of the present invention has regions having different degrees of swelling, that is, regions having different face spacings. Thereby, as indicated by a solid line in FIG. 2A, for example, a normal surface interval distribution having a constant spread W around a predetermined surface interval value is obtained. The spreads W 0 and W satisfy the relationship W 0 <W.

図2(A)に示される面間隔分布は、一例にすぎず、従来技術に示される分布形状を除く、一様分布、t分布、F分布等任意の分布があり得る。このような面間隔分布を有するコロイド結晶ゲルの透過スペクトルは、図2(B)の実線に示される。図2(B)点線の従来技術によるコロイド結晶ゲルと比較して、不透過帯が広がっているのが分かる。不透過帯の広がりの程度、および、形状は、コロイド結晶ゲルの面間隔分布に依存している。   The surface spacing distribution shown in FIG. 2A is merely an example, and there may be any distribution such as a uniform distribution, a t distribution, and an F distribution excluding the distribution shape shown in the prior art. The transmission spectrum of the colloidal crystal gel having such a spacing distribution is shown by a solid line in FIG. Compared to the colloidal crystal gel according to the prior art shown by the dotted line in FIG. The extent and shape of the impermeable band depends on the interplanar spacing distribution of the colloidal crystal gel.

しかしながら、本発明による製造方法によって得られるコロイド結晶ゲルにおいて、好ましくは、コロイド結晶ゲル全体にわたる面間隔の差が、不透過帯が、Bragg反射する光の波長の中心波長の5%以上20%以下であることを満たす場合に、見掛けのストップバンド幅が制御されているものとする。   However, in the colloidal crystal gel obtained by the production method according to the present invention, preferably, the difference in the interplanar spacing over the entire colloidal crystal gel is such that the opaque band is 5% or more and 20% or less of the central wavelength of the wavelength of Bragg reflected light. If the above condition is satisfied, it is assumed that the apparent stop bandwidth is controlled.

このように、本発明によれば、コロイド結晶ゲル内部に異なる膨潤度を有する領域を意図的に設けることによって、格子面間隔の分布が拡大した状態を作り、見掛けのストップバンド幅を制御することができる。なお、本発明によって得られたコロイド結晶ゲルに応力を印加する、または、溶媒を置換することによって、さらに、不透過帯中心波長が変化したコロイド結晶ゲルを提供することもできる。   Thus, according to the present invention, by intentionally providing regions having different degrees of swelling inside the colloidal crystal gel, it is possible to create a state in which the distribution of the lattice spacing is enlarged and to control the apparent stop band width. Can do. In addition, by applying stress to the colloidal crystal gel obtained according to the present invention or substituting the solvent, a colloidal crystal gel in which the center wavelength of the impermeable band is further changed can be provided.

(実施の形態2)
図3は、本発明によるコロイド結晶ゲルを用いたフィルタシステムの模式図である。
フィルタシステム300は、光源部310とフィルタ部340とを含む。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic view of a filter system using a colloidal crystal gel according to the present invention.
The filter system 300 includes a light source unit 310 and a filter unit 340.

光源部310は、光源320と集光手段330とを含む。光源320は、例えば、異なる波長を発する光ファイバ、半導体レーザ等任意の光発生装置を用いることができる。集光手段330は、フィルタ部340に光源320が発する光が入射するために設けられる光学系(例えば、集光レンズ、コリメートレンズ等)であり得るが、光源320が発する光のビーム形状およびビーム径によって不要である。また、光源部310は、可動手段(図示せず)をさらに設けていてもよく、フィルタ部340の所望の場所に光が入射するように、光源320の位置を調節してもよい。   The light source unit 310 includes a light source 320 and a light collecting unit 330. As the light source 320, for example, an arbitrary light generating device such as an optical fiber or a semiconductor laser emitting different wavelengths can be used. The condensing unit 330 may be an optical system (for example, a condensing lens, a collimating lens, or the like) provided for the light emitted from the light source 320 to enter the filter unit 340, but the beam shape and beam of the light emitted from the light source 320. It is not necessary depending on the diameter. The light source unit 310 may further include a movable unit (not shown), and the position of the light source 320 may be adjusted so that light is incident on a desired location of the filter unit 340.

フィルタ部340は、少なくとも1つのコロイド結晶ゲル350を含む。コロイド結晶ゲル350は、実施の形態1で説明した方法によって製造される。コロイド結晶ゲル350の各々は、異なる不透過帯を有する。不透過帯の種々の選択は、ユーザの要求に応じて為される。光源部310が可動手段を有していない場合、フィルタ部340が、可動手段(図示せず)をさらに設けていてもよい。
なお、図3の例では、コロイド結晶ゲル350それぞれは、光の入射方向に対して垂直な方向に並んでいるが、コロイド結晶ゲル350は、光の入射方向に対して平行な方向に一列になるように並べてもよい。
The filter unit 340 includes at least one colloidal crystal gel 350. The colloidal crystal gel 350 is manufactured by the method described in the first embodiment. Each of the colloidal crystal gels 350 has a different impermeable zone. Various selections of the opacity band are made according to user requirements. When the light source unit 310 does not have a movable unit, the filter unit 340 may further include a movable unit (not shown).
In the example of FIG. 3, the colloidal crystal gels 350 are arranged in a direction perpendicular to the light incident direction, but the colloidal crystal gels 350 are aligned in a direction parallel to the light incident direction. They may be arranged as follows.

次に、フィルタシステム300の動作を説明する。
光源320が発した光は、集光手段330を介して光源部310から出射される。次いで、光は、フィルタ部320のうち所望の波長帯を不透過にするコロイド結晶ゲル350に入射される。フィルタ部320を通過した光は、所望の波長帯が除去され、波長を選択することができる。本発明によるコロイド結晶ゲル350によれば、従来に比べて広い広がりを有する波長を不透過にすることができるので、従来のフィルタシステムを小型化することができる。また、フィルタ部320のコロイド結晶ゲル350が、光の入射方向に対して平行な方向に一列に並んでいる場合、ユーザは、所望の狭帯域の波長を有する光を
取り出すこともできる。
Next, the operation of the filter system 300 will be described.
The light emitted from the light source 320 is emitted from the light source unit 310 through the light collecting unit 330. Next, the light is incident on the colloidal crystal gel 350 that makes the desired wavelength band of the filter unit 320 opaque. A desired wavelength band is removed from the light that has passed through the filter unit 320, and the wavelength can be selected. According to the colloidal crystal gel 350 according to the present invention, it is possible to make a wavelength having a broader spread than in the past, so that the conventional filter system can be miniaturized. When colloidal crystal gel 350 of filter unit 320 is arranged in a line in a direction parallel to the incident direction of light, the user can also extract light having a desired narrowband wavelength.

フィルタシステム300は、本発明の製造方法によるコロイド結晶ゲル350を適用する一例にすぎず、本発明の製造方法によるコロイド結晶ゲルは、スイッチ、リミッタ、センサ等に応用可能である。   The filter system 300 is merely an example of applying the colloidal crystal gel 350 according to the manufacturing method of the present invention, and the colloidal crystal gel according to the manufacturing method of the present invention can be applied to switches, limiters, sensors, and the like.

実施の形態2では、特定の波長を有する光を遮断するフィルタシステム300を説明したが、コロイド結晶ゲル350はフィルタに限定されない。コロイド結晶ゲル350のBragg反射を利用する任意のアプリケーションに適用可能であることを理解されたい。   Although the filter system 300 that blocks light having a specific wavelength has been described in the second embodiment, the colloidal crystal gel 350 is not limited to a filter. It should be understood that the present invention is applicable to any application that utilizes the Bragg reflection of colloidal crystal gel 350.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

イオン交換樹脂による脱塩法を用いてコロイド結晶を作製した。作製されたコロイド結晶(粒子体積濃度10%)は、ポリスチレン粒子(Duke Scientific製、粒径198nm、粒径の標準偏差3%)と水とを含む。次いで、コロイド結晶に、モノマーとしてN−メチロールアクリルアミド(1.2M)、架橋剤としてビスアクリルアミド(10mM)、および、光重合開始剤としてカンファーキノン(400μM)を添加し、混合した。   Colloidal crystals were prepared using a desalting method with an ion exchange resin. The produced colloidal crystal (particle volume concentration 10%) contains polystyrene particles (manufactured by Duke Scientific, particle size 198 nm, particle size standard deviation 3%) and water. Next, N-methylolacrylamide (1.2 M) as a monomer, bisacrylamide (10 mM) as a crosslinking agent, and camphorquinone (400 μM) as a photopolymerization initiator were added to the colloidal crystal and mixed.

混合物をアルゴンガスでバブリング(Arバブリング)を10分間行った。これにより、溶媒中の溶存酸素が除去されるので、光重合開始剤が不活性化するのが防がれ得る。次いで、混合物をキャピラリーセル(0.1×9×70mm)に入れ、流動させた。流動により、キャピラリーセル内部にせん断力が発生し、結晶性の高いコロイド結晶を大面積で得ることができる。   The mixture was bubbled with argon gas (Ar bubbling) for 10 minutes. Thereby, since the dissolved oxygen in a solvent is removed, it can prevent that a photoinitiator inactivates. The mixture was then placed in a capillary cell (0.1 × 9 × 70 mm) and allowed to flow. By flowing, a shearing force is generated inside the capillary cell, and a highly crystalline colloidal crystal can be obtained in a large area.

青色ダイオード(MORITEX製、消費電流0.47A、動作電圧5V)を用いて、コロイド結晶に光を照射し、ゲル化を行った。光の照射条件は、照射強度を固定し、照射時間は1時間であった。その後、光照射された試料は、キャピラリーセル中にある状態で、0時間から50時間まで室温にて保持した。各保持時間で得られた試料をEx1-T(0
≦T(時間)≦50、T:保持時間)と称する。
Gelation was performed by irradiating the colloidal crystal with light using a blue diode (MORITEX, current consumption 0.47A, operating voltage 5V). The light irradiation conditions were fixed at the irradiation intensity and the irradiation time was 1 hour. Thereafter, the sample irradiated with light was kept at room temperature from 0 to 50 hours in a state in the capillary cell. Ex 1-T (0
≦ T (time) ≦ 50, T: holding time).

得られた試料の透過スペクトルを、ImSpector V10(Kawasaki Steei Techno−Research Corp. Japan)を用いて行った。リファレンスを空気とした。透過スペクトルの測定波長範囲は、400nm〜1000nmであった。測定結果を図4に示し、詳述する。   The transmission spectrum of the obtained sample was performed using ImSpector V10 (Kawasaki SteiTechno-Research Corp. Japan). The reference was air. The measurement wavelength range of the transmission spectrum was 400 nm to 1000 nm. The measurement results are shown in FIG.

なお、図面を明瞭にするため、試料Ex1-0、Ex1-2、Ex1-7、Ex1-20、および、
Ex1-50についてのみ示される。透過スペクトルの結果から、ディップ幅の保持時間依存性を図6に、ディップ幅の光照射時間依存性を図7に示し詳述する。
In order to clarify the drawing, samples Ex 1-0 , Ex 1-2 , Ex 1-7 , Ex 1-20 , and
Only shown for Ex 1-50 . From the result of the transmission spectrum, the dependency of the dip width on the holding time is shown in FIG. 6, and the dependency of the dip width on the light irradiation time is shown in FIG.

ここで、透過スペクトルにおけるディップとは急激に透過率の低下している部分を意味しており、上述の不透過帯あるいは低透過帯と同じである。また、ディップ幅は、本実施例では、透過率が40%になる波長幅として決定している。   Here, the dip in the transmission spectrum means a portion where the transmittance is drastically decreased, and is the same as the above-described non-transmission band or low transmission band. Further, in this embodiment, the dip width is determined as the wavelength width at which the transmittance is 40%.

Ex1-50の試料に白色光を照射し、750nm、800nm、850nm、900nmおよび950nmの特定波長に対する透過強度を明暗のコントラストとしてイメージ化した。空間分解能は、100μmであった。結果を図5に示し詳述する。 Ex 1-50 samples were irradiated with white light, and the transmission intensities for specific wavelengths of 750 nm, 800 nm, 850 nm, 900 nm and 950 nm were imaged as contrast of light and dark. The spatial resolution was 100 μm. The results are shown in FIG.

比較例1;
実施例1において照射時間を3時間とした以外は同様であるため、説明を省略する。各保持時間で得られた試料をPr3-T(0≦T(時間)≦50、T:保持時間)と称する。
得られた試料の透過スペクトルを実施例1と同様に測定した。結果を図4、図6および図7に示し詳述する。
Pr3-50の試料に実施例1と同様に白色光を照射し、その特定波長に対する透過強度をイメージ化した。結果を図5に示し詳述する。
Comparative Example 1;
In Example 1, since it is the same except having set irradiation time to 3 hours, description is abbreviate | omitted. The sample obtained at each holding time is referred to as Pr 3-T (0 ≦ T (time) ≦ 50, T: holding time).
The transmission spectrum of the obtained sample was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIGS. 4, 6 and 7 and will be described in detail.
The Pr 3-50 sample was irradiated with white light in the same manner as in Example 1, and the transmission intensity for the specific wavelength was imaged. The results are shown in FIG.

実施例1において、1時間光照射をした後、7時間保持し(試料Ex1-7)、その後、
同様の照射強度で3時間さらなる光照射を行った。それ以外の操作は実施例1と同様であるため、説明を省略する。試料をさらに合計50時間まで保持した。得られた試料をEx1-7-3-T'(0≦T’(時間)≦43、T’:合計保持時間)と称する。実施例1と同様に、透過スペクトル測定を行った。透過スペクトルの結果から、ディップ幅の保持時間依存性を図6に示し詳述する。
In Example 1, after irradiating with light for 1 hour, held for 7 hours (sample Ex 1-7 ), and then
Further light irradiation was performed for 3 hours at the same irradiation intensity. Since other operations are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted. The sample was further held for a total of 50 hours. The obtained sample is referred to as Ex 1-7-3-T ′ (0 ≦ T ′ (time) ≦ 43, T ′: total holding time). The transmission spectrum was measured in the same manner as in Example 1. From the result of the transmission spectrum, the dependency of the dip width on the retention time is shown in FIG. 6 and will be described in detail.

実施例1において、0.5時間光照射をした後、50時間保持した以外は同様であるため、説明を省略する。得られた試料の透過スペクトル測定を行った。結果を図7に示し詳述する。   In Example 1, since it is the same except that the light irradiation is performed for 0.5 hour and then held for 50 hours, the description is omitted. The transmission spectrum of the obtained sample was measured. The results are shown in FIG.

実施例1において、2時間光照射をした後、50時間保持した以外は同様であるため、説明を省略する。得られた試料の透過スペクトル測定を行った。結果を図7に示し詳述する。   In Example 1, since it is the same except having been irradiated for 2 hours and then held for 50 hours, the description is omitted. The transmission spectrum of the obtained sample was measured. The results are shown in FIG.

図4は、Ex1-T(A)およびPr3-T(B)の透過スペクトルを示す図である。図中点線で示す透過スペクトルは、いずれも、光を照射する前のコロイド結晶の透過スペクトルを示す。 FIG. 4 is a diagram showing transmission spectra of Ex 1-T (A) and Pr 3-T (B). Each transmission spectrum indicated by a dotted line in the figure indicates a transmission spectrum of the colloidal crystal before irradiation with light.

図4(A)および(B)のいずれにも見られる840nm付近のディップは、キャピラリーセルの壁面に平行な格子面(ここでは、fcc構造の(111)面に相当)によるBragg反射に起因するものである。
図4(A)に示されるように、1時間光照射後、保持時間Tが長くなるにつれて、明瞭なディップ幅(不透過帯)の広がりが見られた。詳細には、ディップ幅は、光照射前に見られた840nmを中心として、短波長側および長波長側の両方に広がっていった。ディップ幅は、0<T(時間)≦30まで広がり続け、T>30はほぼ一定となった。
The dip near 840 nm seen in both FIGS. 4A and 4B is caused by Bragg reflection by a lattice plane parallel to the wall surface of the capillary cell (here, corresponding to the (111) plane of the fcc structure). Is.
As shown in FIG. 4A, after the light irradiation for 1 hour, as the holding time T becomes longer, a clear dip width (impermeable band) is observed. Specifically, the dip width spreads to both the short wavelength side and the long wavelength side, centering on 840 nm seen before light irradiation. The dip width continued to expand to 0 <T (time) ≦ 30, and T> 30 was almost constant.

ここで、透過率40%の位置でディップ幅の広がりを測った場合、保持時間が0の時に比べ、保持時間が30時間以上になった場合ディップ幅の広がりは、約2.6倍になった。ディップにおける透過率は、10≦T≦30において上昇したが、T>30を超えると変化しなかった。また、これら透過スペクトルは、ディップにおいて変化が見られるものの、その他の領域においては変化が見られなかった。例えば、透過領域の透過率はいずれも高い値を保持しており、短波長側のバンド端の位置に変化は見られなかった。   Here, when the spread of the dip width is measured at a position where the transmittance is 40%, the spread of the dip width is approximately 2.6 times when the holding time is 30 hours or more, compared to when the holding time is zero. It was. The transmittance at the dip increased at 10 ≦ T ≦ 30, but did not change when T> 30. Moreover, although these transmission spectra showed changes in the dip, no changes were seen in other regions. For example, the transmittance in the transmissive region has a high value, and no change is observed in the position of the band edge on the short wavelength side.

長波長側への広がりは、(111)面の面間隔が拡大したことを示す。このような拡大を補償するために、(111)面の面間隔の縮小が生じ、これが短波長側への広がりの原因であると考えられる。このことは、コロイド結晶ゲルが、面間隔の異なる複数の領域を有していることを示唆する。ディップ以外のスペクトル形状に変化が見られなかったのは、(111)面の面間隔の拡大および縮小が、セルの壁面に垂直な方向、すなわち、[1
11]方向に生じているためであり、セル中のゲルの膨潤は等方的に生じないことを意味する。
The spread toward the long wavelength side indicates that the (111) plane spacing is increased. In order to compensate for such enlargement, a reduction in the spacing of the (111) plane occurs, which is considered to be the cause of the spread toward the short wavelength side. This suggests that the colloidal crystal gel has a plurality of regions having different face spacings. There was no change in the spectral shape other than the dip because the expansion and contraction of the (111) plane spacing was perpendicular to the cell wall, that is, [1
11] because it occurs in the direction, meaning that the swelling of the gel in the cell does not occur isotropically.

ディップにおける透過率の上昇値は、実用に際して問題ない程度であることが確認された。しかしながら、このような透過率の上昇は、コロイド結晶ゲルの厚さを厚くすることによって解決され得る。   It was confirmed that the increase in transmittance at the dip was of a level that would not cause any problems in practical use. However, this increase in transmittance can be solved by increasing the thickness of the colloidal crystal gel.

以上より、実施例1で用いた材料において、上記条件による1時間光照射は、工程S120(図1)を満たしていることが分かった。保持時間に関連してディップ幅が広がるのは、異なる面間隔を有する領域が生成しているためであるが、面間隔は無限に広がるのではなく、ある値で飽和することが示された。この飽和値は、工程S120(図1)の光照射条件に依存し得る。また、保持時間にかかわらずディップ以外のスペクトル形状に変化が見られないことより、粒子は、保持時間中に乱れることなく結晶性を低下させないことが確認された。   From the above, in the material used in Example 1, it was found that the one-hour light irradiation under the above conditions satisfied Step S120 (FIG. 1). The reason why the dip width increases in relation to the holding time is due to the generation of regions having different face spacings, but it has been shown that the face spacing does not spread infinitely but saturates at a certain value. This saturation value may depend on the light irradiation conditions in step S120 (FIG. 1). Further, since no change was observed in the spectral shape other than dip regardless of the holding time, it was confirmed that the particles did not deteriorate crystallinity without being disturbed during the holding time.

一方、図4(B)に示されるように、3時間光照射後は、保持時間に関係なくディップ幅およびスペクトル形状は一定であった。このことは、上記条件において3時間光照射は、臨界照射条件を満たしており、臨界照射条件が一旦満たされると、ディップ幅は固定されることが示された。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, after 3 hours of light irradiation, the dip width and the spectral shape were constant regardless of the holding time. This indicates that the irradiation with light for 3 hours under the above conditions satisfies the critical irradiation condition, and once the critical irradiation condition is satisfied, the dip width is fixed.

図5は、Ex1-50(A)およびPr3-50(B)の種々の特定波長に対する透過強度イメージを示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing transmission intensity images of Ex 1-50 (A) and Pr 3-50 (B) for various specific wavelengths.

図5(A)および(B)は、いずれも、左から750nm、800nm、850nm、900nmおよび950nmの特定波長に対する透過強度のイメージを示す。図5(A)から、1時間照射後に50時間保持することで、試料全体を800nm〜900nmの波長範囲に対して不透過にしていることがわかる。この結果は、図4(A)の透過スペクトルに一致し、ストップバンドの制御に成功したことが示された。一方、図5(B)は、3時間照射した場合には、その後に50時間保持しても850nmの近辺の狭い波長帯のみを不透過にするに過ぎないことを示している。   5A and 5B show images of transmission intensities for specific wavelengths of 750 nm, 800 nm, 850 nm, 900 nm, and 950 nm from the left. From FIG. 5 (A), it can be seen that holding for 50 hours after irradiation for 1 hour makes the entire sample opaque to the wavelength range of 800 nm to 900 nm. This result coincided with the transmission spectrum of FIG. 4A, indicating that the stop band was successfully controlled. On the other hand, FIG. 5B shows that when irradiated for 3 hours, only a narrow wavelength band in the vicinity of 850 nm is made opaque even if held for 50 hours thereafter.

図6は、Ex1-T、Ex1-7-3-T'およびPr3-Tそれぞれのディップ幅の保持時間依存性を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the retention time dependence of the dip widths of Ex 1-T , Ex 1-7-3-T ′ and Pr 3-T .

図中、●はEx1-Tを示し、○はEx1-7-3-T'を示し、▲はPr3-Tを示す。いずれも光照射直後のディップ幅は、40〜50nmの間であった。Ex1-Tは、0<T(時間)≦
30までディップ幅に広がりが見られたが、T>30を超えるとディップ幅は飽和した。Ex1-Tの飽和ディップ幅は、117nmであった。一方、Pr3-Tのディップ幅は、保持時間にかかわらず一定であった。Pr3-Tの飽和ディップ幅は、47nmであった。
In the figure, ● represents Ex 1-T , ○ represents Ex 1-7-3-T ′ , and ▲ represents Pr 3-T . In either case, the dip width immediately after light irradiation was between 40 and 50 nm. Ex 1-T is 0 <T (time) ≦
The dip width was broadened up to 30, but when T> 30, the dip width was saturated. The saturation dip width of Ex 1-T was 117 nm. On the other hand, the dip width of Pr 3-T was constant regardless of the holding time. The saturation dip width of Pr 3-T was 47 nm.

Ex1-7-3-T'のグラフに示されるように、ディップ幅が飽和する前T’=0時間においてさらなる光照射を行うことによって、ディップ幅の広がりが停止した。その後、合計50時間保持した後も停止したディップ幅に変化はなかった。停止したディップ幅は、72nmであった。このことは、ディップ幅の広がり途中でディップ幅を適宜停止させることができることを示しており、ディップ幅の制御にとって有利であり得る。 As shown in the graph of Ex 1-7-3-T ′ , the spread of the dip width was stopped by further light irradiation at T ′ = 0 hours before the dip width was saturated. Thereafter, there was no change in the stopped dip width even after holding for a total of 50 hours. The stopped dip width was 72 nm. This indicates that the dip width can be appropriately stopped while the dip width is widening, which may be advantageous for controlling the dip width.

ここで、重要なことは、さらなる光照射の照射条件は、少なくとも、最初の光照射の照射条件と合わせて臨界照射条件を超えることである。好ましくは、さらなる光照射の照射条件は、臨界照射条件である。   Here, what is important is that the irradiation conditions for further light irradiation exceed the critical irradiation conditions together with the irradiation conditions for the first light irradiation. Preferably, the irradiation conditions for further light irradiation are critical irradiation conditions.

図7は、光照射後の保持時間を50時間に固定したときの、ディップ幅の光照射時間依存性を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the light irradiation time dependence of the dip width when the holding time after light irradiation is fixed to 50 hours.

図7に示されるように、ディップ幅は、図1の工程S120において、光照射強度が一定であれば光照射時間に依存することが分かった。すなわち、光照射時間が短いほど広いディップ幅が得られる。これは、図1の工程S120において、臨界照射条件から遠い照射条件であるほど、最終的に得られるディップ幅が広いことを示す。   As shown in FIG. 7, it was found that the dip width depends on the light irradiation time if the light irradiation intensity is constant in step S120 of FIG. That is, a wider dip width is obtained as the light irradiation time is shorter. This indicates that in step S120 in FIG. 1, the dip width finally obtained is wider as the irradiation condition is farther from the critical irradiation condition.

なお、当業者であれば、光照射時間が一定である場合、光照射強度を弱くするほど広いディップ幅が得られることは容易に想到する。このように、ディップ幅は、光照射強度および/または光照射時間を適宜制御することによっても制御することができる。   A person skilled in the art can easily conceive that when the light irradiation time is constant, a wider dip width is obtained as the light irradiation intensity is reduced. Thus, the dip width can also be controlled by appropriately controlling the light irradiation intensity and / or the light irradiation time.

以上説明してきたように、本発明による製造方法は、コロイド結晶ゲル内部に膨潤度の異なる領域、すなわち、面間隔の異なる領域を形成させることができる。これにより、Bragg反射の波長は広がりを有し、光透過スペクトルにおけるディップ(不透過帯または低透過帯)を拡張させることができる。また、このような粒子の面間隔の異なる領域は、ゲル化の臨界照射条件を満たさないように光を照射することによって容易に製造され得る。   As described above, the production method according to the present invention can form regions having different degrees of swelling, that is, regions having different interplanar spacings, in the colloidal crystal gel. Thereby, the wavelength of Bragg reflection has a spread, and the dip (non-transmission band or low transmission band) in the light transmission spectrum can be extended. In addition, such regions with different interplanar spacing of particles can be easily manufactured by irradiating light so as not to satisfy the gelation critical irradiation condition.

このようなコロイド結晶ゲルは、本来の格子定数に制限されることなく、可視光および近赤外光の領域において、広い不透過帯を有し得る。このような特性を利用した、フィルタ、スイッチ、リミッタ、センサ等の光学素子への応用が可能である。   Such a colloidal crystal gel is not limited to the original lattice constant, and may have a wide opaque band in the visible light and near infrared light regions. Application to optical elements such as filters, switches, limiters, and sensors using such characteristics is possible.

本発明のコロイド結晶ゲルの製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process of the colloidal crystal gel of this invention 本発明によるコロイド結晶ゲルにおけるストップバンド幅を制御するメカニズムを示す図The figure which shows the mechanism which controls the stop band width in the colloidal crystal gel by this invention 本発明によるコロイド結晶ゲルを用いたフィルタシステムの模式図Schematic diagram of filter system using colloidal crystal gel according to the present invention Ex1-T(A)およびPr3-T(B)の透過スペクトルを示す図The figure which shows the transmission spectrum of Ex1 -T (A) and Pr3 -T (B) Ex1-50(A)およびPr3-50(B)の種々の特定波長に対する透過強度イメージを示す図The figure which shows the transmission intensity image with respect to various specific wavelengths of Ex1-50 (A) and Pr3-50 (B) Ex1-T、Ex1-7-3-T'およびPr3-Tそれぞれのディップ幅の保持時間依存性を示す図Ex 1-T, shows the ex 1-7-3-T 'and Pr 3-T retention time of each dip width dependence 光照射後の保持時間を50時間に固定したときの、ディップ幅の光照射時間依存性を示す図The figure which shows the light irradiation time dependence of the dip width when the holding time after light irradiation is fixed to 50 hours

符号の説明Explanation of symbols

300 フィルタシステム
310 光源部
320 光源
330 光学系
340 フィルタ部
350 コロイド結晶ゲル
300 Filter System 310 Light Source Unit 320 Light Source 330 Optical System 340 Filter Unit 350 Colloidal Crystal Gel

Claims (17)

コロイド結晶ゲルを製造する方法であって、
コロイド結晶を提供する工程であって、前記コロイド結晶は、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含む、工程と、
前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、
前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなるまで、前記コロイド結晶を保持する工程と
を包含する、方法。
A method for producing a colloidal crystal gel comprising:
Providing a colloidal crystal, the colloidal crystal comprising a solvent, a monomer, a cross-linking agent, a photopolymerization initiator, and periodically spatially arranged particles;
A step of irradiating the colloidal crystal with light, wherein the irradiation condition of the light does not satisfy a critical irradiation condition, and makes the gelation in the colloidal crystal non-uniform, and
Generating a plurality of regions with different interplanar spacing in the colloidal crystal and holding the colloidal crystal until there is no change in the opaque band of the transmission spectrum of the colloidal crystal.
前記粒子は、ポリスチレン粒子、シリカ粒子、および、ポリメチルメタクリレート粒子からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the particles are selected from the group consisting of polystyrene particles, silica particles, and polymethylmethacrylate particles. 前記モノマーは、N−メチロールアクリルアミド、または、アクリルアミドである、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the monomer is N-methylolacrylamide or acrylamide. 前記提供する工程は、不活性ガスでバブリングを行う工程を包含する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the providing step comprises bubbling with an inert gas. 前記提供する工程は、キャピラリーセルを用いて前記コロイド結晶を流動させる工程を包含する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the providing step comprises flowing the colloidal crystal using a capillary cell. 前記光を照射する工程は、発光ダイオードを用いる、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the light irradiation step uses a light emitting diode. 前記保持する工程において、前記複数の領域における前記面間隔のそれぞれは、前記コロイド結晶が提供されたセルの壁面に垂直な方向に拡大および縮小する、請求項1に記載の方法。   2. The method according to claim 1, wherein, in the holding step, each of the interplanar spacings in the plurality of regions expands and contracts in a direction perpendicular to a wall surface of a cell provided with the colloidal crystal. コロイド結晶ゲルを製造する方法であって、
コロイド結晶を提供する工程であって、前記コロイド結晶は、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含む、工程と、
前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、
前記コロイド結晶を保持する工程であって、前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなる前に保持を中止する、工程と
前記保持する工程後に前記コロイド結晶にさらなる光を照射する工程であって、前記光を照射する工程における光照射条件と、前記さらなる光を照射する工程における光照射条件との合計光照射条件は、少なくとも前記臨界照射条件を満たす、工程と
を包含する、方法
A method for producing a colloidal crystal gel comprising:
Providing a colloidal crystal, the colloidal crystal comprising a solvent, a monomer, a cross-linking agent, a photopolymerization initiator, and periodically spatially arranged particles;
A step of irradiating the colloidal crystal with light, wherein the irradiation condition of the light does not satisfy a critical irradiation condition, and makes the gelation in the colloidal crystal non-uniform, and
Holding the colloidal crystal, generating a plurality of regions having different interplanar spacing in the colloidal crystal, and stopping the holding before the change in the opaque band of the transmission spectrum of the colloidal crystal disappears; and
The step of irradiating the colloidal crystal with further light after the holding step , the total light irradiation condition of the light irradiation condition in the step of irradiating the light and the light irradiation condition in the step of irradiating the further light, A process that satisfies at least the critical irradiation condition ; and
Including the method .
コロイド結晶ゲルを製造する方法によって得られるBragg反射の波長を広げるコロイド結晶ゲルであって、前記方法は、
コロイド結晶を提供する工程であって、前記コロイド結晶は、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含む、工程と、
前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、
前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなるまで、前記コロイド結晶を保持する工程と
を包含する、
前記コロイド結晶ゲルは、前記面間隔の異なる複数の領域を有する、コロイド結晶ゲル。
A colloidal crystal gel that broadens the wavelength of Bragg reflection obtained by a method of producing a colloidal crystal gel, the method comprising:
Providing a colloidal crystal, the colloidal crystal comprising a solvent, a monomer, a cross-linking agent, a photopolymerization initiator, and periodically spatially arranged particles;
A step of irradiating the colloidal crystal with light, wherein the irradiation condition of the light does not satisfy a critical irradiation condition, and makes the gelation in the colloidal crystal non-uniform, and
Generating a plurality of regions with different interplanar spacing in the colloidal crystal, and holding the colloidal crystal until there is no change in the opacity band of the transmission spectrum of the colloidal crystal.
The colloidal crystal gel is a colloidal crystal gel having a plurality of regions having different spacings.
前記粒子は、ポリスチレン粒子、シリカ粒子、および、ポリメチルメタクリレート粒子からなる群から選択される、請求項9に記載のコロイド結晶ゲル。   The colloidal crystal gel according to claim 9, wherein the particles are selected from the group consisting of polystyrene particles, silica particles, and polymethylmethacrylate particles. 前記モノマーは、N−メチロールアクリルアミド、または、アクリルアミドである、請求項9に記載のコロイド結晶ゲル。   The colloidal crystal gel according to claim 9, wherein the monomer is N-methylolacrylamide or acrylamide. 前記提供する工程は、不活性ガスでバブリングを行う工程を包含する、請求項9に記載のコロイド結晶ゲル。   The colloidal crystal gel according to claim 9, wherein the providing step includes a step of bubbling with an inert gas. 前記提供する工程は、キャピラリーセルを用いて前記コロイド結晶を流動させる工程を包含する、請求項9に記載のコロイド結晶ゲル。   The colloidal crystal gel according to claim 9, wherein the providing step includes a step of flowing the colloidal crystal using a capillary cell. 前記光を照射する工程は、発光ダイオードを用いる、請求項9に記載のコロイド結晶ゲル。   The colloidal crystal gel according to claim 9, wherein the light irradiation step uses a light emitting diode. 前記保持するにおいて、前記複数の領域における前記面間隔のそれぞれは、前記コロイド結晶が提供されたセルの壁面に垂直な方向に拡大および縮小する、請求項9に記載のコロイド結晶ゲル。   The colloidal crystal gel according to claim 9, wherein in the holding, each of the interplanar spacings in the plurality of regions expands and contracts in a direction perpendicular to a wall surface of the cell provided with the colloidal crystal. コロイド結晶ゲルを製造する方法によって得られるBragg反射の波長を広げるコロイド結晶ゲルであって、前記方法は、
コロイド結晶を提供する工程であって、前記コロイド結晶は、溶媒とモノマーと架橋剤と光重合開始剤と周期的に空間配列された粒子とを含む、工程と、
前記コロイド結晶に光を照射する工程であって、前記光の照射条件は、臨界照射条件を満たさない、かつ、前記コロイド結晶内のゲル化を不均一にする、工程と、
前記コロイド結晶を保持する工程であって、前記コロイド結晶内に面間隔の異なる複数の領域を生成させ、前記コロイド結晶の透過スペクトルの不透過帯の変化がなくなる前に保持を中止する、工程と
前記保持する工程後に前記コロイド結晶にさらなる光を照射する工程であって、前記光を照射する工程における光照射条件と、前記さらなる光を照射する工程における光照射条件との合計光照射条件は、少なくとも前記臨界照射条件を満たす、工程と
を包含する、コロイド結晶ゲル。
A colloidal crystal gel that broadens the wavelength of Bragg reflection obtained by a method of producing a colloidal crystal gel, the method comprising:
Providing a colloidal crystal, the colloidal crystal comprising a solvent, a monomer, a cross-linking agent, a photopolymerization initiator, and periodically spatially arranged particles;
A step of irradiating the colloidal crystal with light, wherein the irradiation condition of the light does not satisfy a critical irradiation condition, and makes the gelation in the colloidal crystal non-uniform, and
Holding the colloidal crystal, generating a plurality of regions having different interplanar spacing in the colloidal crystal, and stopping the holding before the change in the opaque band of the transmission spectrum of the colloidal crystal disappears; and
The step of irradiating the colloidal crystal with further light after the holding step , the total light irradiation condition of the light irradiation condition in the step of irradiating the light and the light irradiation condition in the step of irradiating the further light, A process that satisfies at least the critical irradiation condition ; and
A colloidal crystal gel.
請求項9〜16に記載のコロイド結晶ゲルを用いた光学素子。
An optical element using the colloidal crystal gel according to claim 9-16.
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