JP5704007B2 - 引張応力により構造色が変化する周期構造を有する弾性体材料 - Google Patents
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Description
前記単分散粒子の空間的かつ周期的な配列が、可視光から近赤外光領域でブラッグ反射の条件を満たしてもよい。
前記弾性体材料に引張応力を印加した場合、前記弾性体材料の長手方向の長さの伸び率と、前記単分散粒子の周期の変化量とは比例関係を満たしてもよい。
前記単分散粒子の粒径が、150〜750nmの範囲であってもよい。
フィルム状の形態に加工され片面に接着剤あるいは接着シートを有し、シールとして対象物に貼り付けることを容易にしてもよい。
応力を加えることによって可逆的に弾性変形し、この変形量によって色調が可逆的に変化する弾性体材料を作製した。先ず、単分散ポリスチレン粒子(PS)サスペンジョン(粒子径202nm、Polysciences社、水系溶媒)を用意し、サスペンジョンを基板上にキャスティングし、コロイド結晶の立方最密充填構造体を膜状に形成した。その後、予め用意しておいた2種類のポリジメチルシリコーン(PDMS)ジェルの前駆体ポリマー溶液(原液粒子濃度2.5wt%を2〜5倍に純水で希釈して使用)を膜状のコロイド結晶に流し込み、該結晶を覆った。室温で24時間かけて固化させた後、さらに50℃で3時間、熱処理を行うことで、このコロイド結晶の隙間に前駆体ポリマーを浸透、固化させて粒子間にポリジメチルシリコーン(PDMS)ジェルを粒子間に充填した。さらに、さらにこの操作を繰り返すことによって、粒子間に存在するPDMSジェル量を増加させる。その結果、粒子間の間隔が拡大された試料を作製することが出来た。この作製方法は後述する図6およびその説明でも取り上げ、詳しく説明する。図1は、こうして形成、作成されたコロイド結晶弾性体に引張応力が作用し、これによって弾性変形が生じ、配列したコロイド結晶の周期構造が変化する様子を原理的、模式的に示す図である。すなわち、図1によると粒子配列の周期構造d0が引張応力によりPDMSジェルが弾性変形し、周期構造がdに収縮する。色が発現し、変化する理由は、この周期構造に対応し光がブラッグ反射し構造色を呈することによる。この周期が弾性変形によって変化するため構造色がブルーシフトするものである。そして、この構造色の変化は応力を取り除くと初期状態に可逆的に戻るよう変化するものである。
図5は、前記作製したコロイド結晶弾性体の伸び率とブラッグ反射光のピーク波長の変化量の関係をグラフに表したものである。
この図によると、伸び率と波長ピーク位置との関係は、伸び率20%以内で比例関係にあり、弾性体の歪み・変形量はブラッグ反射光波長のシフト量を知ることによって知ること、すなわち、測定することができる。図5中、Aは異なる伸び率におけるブラッグ反射ピークを重ねてプロットした。一方、Bはそのピーク位置を伸び率との関係をプロットした。比例関係が成立する条件に基づき、この原理を利用することによって、簡易型の歪み・変形センサーへ応用できる。
次ぎに、構造色を呈する弾性体の作製方法を、専らその作製プロセスを示す図6に基づいて説明する。
実施例3のPS粒子を、粒子径を変えた以外は、全く同じ条件、プロセスで弾性体を作製した。すなわち、粒子径175nmの粒径の揃ったPS単分散粒子を用意し、実施例3と同様の条件、プロセスを適用した。その結果得られた弾性体は、構造色が緑色を呈した弾性体が得られた。この弾性体に引っ張り応力を与えたところ、色が次第に青〜紫色に変化し、応力を解除したところ元の形、色に復元した。実施例3同様、可逆性のある構造色変化型弾性体を提供することが出来た。
次ぎに、本発明の弾性体を利用して、弾性体に印加される応力の有無によって、ブラッグ反射ピーク位置がシフトする現象を光スイッチに応用した実施の態様について図7、図8に基づいて詳述する。すなわち図7は、ブラッグ反射ピークのシフトを利用した光スイッチ素子の設計例とその動作原理を示すものである。図7において、光スイッチは、半導体レーザー、本発明による弾性体、および光検出装置から少なくても構成される。弾性体に印加する引張応力の有無によって、ブラッグ反射ピークが移動することは、図4、図5およびそれらの説明から明らかにした。図7において、使用する半導体レーザーの波長(斜線領域)を適切に設定することで光量の変化を利用したスイッチを実現できる。図ではピークの波長と半導体レーザーの波長が重なった場合(すなわち、引張り応力が加わってない場合)、レーザー光はブラッブ反射するため透過光量が小さい(この状態をONとする)。一方、応力が掛かった状態では、ブラッグ反射ピークが低波長側へ移動するためレーザー光はほとんど透過する(この状態をOFFとする)。このように弾性体に引張応力が加わっているか、いないかを半導体レーザーの透過光量に対応させる光スイッチとして利用できる。図8は面状に配置し応力が掛かった場所を特定することができる。弾性体はセンサー部に設置しアレイ状に配列させ、センサー部の連結は光ファイバーで格子に連結されている。図のように局所的に応力が印加した領域では光の透過量が増加し、X2とY2が共にOFFであると分かる。その他のラインは全てONであるので光は透過することができない。その結果、応力が局所的に加わっている場所を特定できる。
Claims (5)
- 弾性体シートと、
前記弾性体シートの表面に位置するブラッグ反射領域と
を含む弾性体材料であって、
前記弾性体シートは、ポリジメチルシリコーンジェルであり、
前記ブラッグ反射領域は、
空間的かつ周期的に配列された粒子径が揃った単分散粒子と、
前記単分散粒子間および前記単分散粒子の周りに位置する弾性体と
を含み、
前記単分散粒子は、前記弾性体により互いに非接触であり、
前記単分散粒子がポリスチレン粒子であり、
前記弾性体がポリジメチルシリコーンジェルである、
弾性体材料。 - 前記単分散粒子の空間的かつ周期的な配列が、可視光から近赤外光領域でブラッグ反射の条件を満たすことを特徴とする、請求項1に記載の弾性体材料。
- 前記弾性体材料に引張応力を印加した場合、前記弾性体材料の長手方向の長さの伸び率と、前記単分散粒子の周期の変化量とは比例関係を満たすことを特徴とする、請求項1ないし2の何れか1項に記載の弾性体材料。
- 前記単分散粒子の粒径が、150〜750nmの範囲である、請求項1ないし3の何れか1項に記載の弾性体材料。
- フィルム状の形態に加工され片面に接着剤あるいは接着シートを有し、シールとして対象物に貼り付けることを容易にした、請求項1ないし4の何れか1項に記載の弾性体材料。
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