新化学手法でソフトエレクトロニクスの耐久性向上、共役ポリマーの単分子解析に成功

共役ポリマーの研究に新たなアプローチを導入し、研究者たちは初めて、重合反応中の個々の分子の力学的・運動論的特性を測定することに成功しました。

共役ポリマーは、電子を伝導し光を吸収する骨格に沿って連なった分子クラスターです。この特性により、ウェアラブル電子デバイスなどのソフトオプトエレクトロニクスの作製に最適ですが、凝集して溶液から析出しやすいため、バルク状態での研究は困難でした。

このアプローチは「磁気ピンセット」と呼ばれ、共役ポリマーであるポリアセチレンの個々の分子を伸ばし、ねじることを可能にします。従来の手法は化学誘導体化に依存し、原子官能基で構造を修飾していましたが、これはポリマーの固有特性に影響を与える恐れがありました。

プロセスは、ポリマー鎖の一端をガラスカバースリップに、もう一端を微小磁性粒子に固定し、磁場で共役ポリマーを操作して伸長・ねじりを加え、成長する単一ポリマー鎖の応答を測定するものです。量が極めて少ないため、バルク量では溶解しない条件下でも溶液中に溶解したままです。

チームは、数十万単位のモノマー単位で構成される共役ポリマーの長鎖が、リアルタイムでどのように成長するかを測定しました。共役ポリマーは1秒あたり1モノマーの速度で成長することを発見。これは非共役類縁体よりはるかに速い成長です。個々の共役ポリマーを引っ張り伸ばすいわゆる力-伸長測定により、剛性を評価し、異なる方向に曲がりながらも共役状態を維持し電子伝導性を保つメカニズムをより深く理解できました。

また、個々の鎖ごとに多様な力学的挙動を示すことも判明。これは理論的に予測されていましたが、実験的に観測されたのは初めてです。これらの知見は、共役ポリマーが多様な用途で持つ独自性と、合成材料への単一分子操作・イメージング技術の適用力の強さを浮き彫りにしています。

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