物質システム科学専攻 高見澤聡教授が合金特有の形状記憶効果を有機結晶で発現！
2015.11.27
- プレスリリース
- 研究
物質システム科学専攻 高見澤聡教授が合金特有の形状記憶効果を有機結晶で発現！
热で力强く形状回復する有机形状记忆材料の开発が可能に
平成27年11月26日
研究推进课
研究推进课
横浜市立大学生命ナノシステム科学研究科の高見澤 聡教授が、形状記憶合金（※1）特有の形状記憶効果を有機結晶で発現するのに成功しました。
有机固体での形状记忆合金に特有な形状记忆効果の発见は、有机物による合金代替材料の开発を可能とする新しい知见であり、热によって形状回復力を増す形状记忆合金の物理特性を持つ実用性の高い有机形状记忆材料の开発指针を与えるものです。軽量かつしなやかで温度変化によって力强い形状回復性が必要とされる构造材料、机械部品、衝撃吸収材、繊维への応用や、インプラント（体内埋め込み型材料）などの生体适合性の高い医疗材料への広い応用が期待されます。
本研究成果に関する动画（驰辞耻罢耻产别）
本研究成果「Shape-memory effect in an organosuperelastic crystal」は、英国王室化学会の化学雑誌『Chemical Science』（平成27年11月19日付）に掲載（オンライン）されました。
研究成果のポイント
○ 有機固体で初めて合金特有と思われていた形状記憶効果の発現に成功
○ 温度誘起相転移により有機超弾性を発現する機構を持つ有機結晶の合成に成功
○ 温度上昇で形状回復力を増大させる有機形状記憶材料?有機弾性材料の開発を可能とする新原理
○ 温度誘起相転移により有機超弾性を発現する機構を持つ有機結晶の合成に成功
○ 温度上昇で形状回復力を増大させる有機形状記憶材料?有機弾性材料の開発を可能とする新原理
研究の背景
形状记忆効果を発现する材料として形状记忆高分子と形状记忆合金が知られています。合金の形状记忆効果は高分子材料の形状记忆効果とは全く异なる物理特性であり、形状记忆合金と形状记忆高分子材料の科学は物理的にも物质的（化学的）にも完全に独立した学术分野として独自の歴史を歩んできました。
形状记忆合金は高い実用性が知られ、配管継ぎ手、卫星アンテナ、温度で开闭する调整弁、カテーテルや人工歯根（インプラント）等にすでに利用されていますが、金属材料の欠点を克服し材料特性に多様性を产み出す新たな形状记忆材料が求められているのも事実です。形状记忆高分子［参考文献1］は物质拡张性に优れ、高い物质多様性を持ちますが、热により固体が软化する过程で発现する形状回復力が致命的に弱く、これまで応用の际の障害となってきました。有机材料で合金様の形状记忆効果を発现できれば、化学合成的手法により物质?机能拡张性の高い柔软性?軽量性?生体适合性等の特性を持つ合金代替材料の开発が可能となります。しかし、合金での形状记忆効果の発见［参考文献2］から60年以上経ったにもかかわらず、これまでに合金の形状记忆効果を示す有机材料は知られておらず、その様な特性を発现する材料开発の指针は全く示されていませんでした。
形状记忆合金は高い実用性が知られ、配管継ぎ手、卫星アンテナ、温度で开闭する调整弁、カテーテルや人工歯根（インプラント）等にすでに利用されていますが、金属材料の欠点を克服し材料特性に多様性を产み出す新たな形状记忆材料が求められているのも事実です。形状记忆高分子［参考文献1］は物质拡张性に优れ、高い物质多様性を持ちますが、热により固体が软化する过程で発现する形状回復力が致命的に弱く、これまで応用の际の障害となってきました。有机材料で合金様の形状记忆効果を発现できれば、化学合成的手法により物质?机能拡张性の高い柔软性?軽量性?生体适合性等の特性を持つ合金代替材料の开発が可能となります。しかし、合金での形状记忆効果の発见［参考文献2］から60年以上経ったにもかかわらず、これまでに合金の形状记忆効果を示す有机材料は知られておらず、その様な特性を発现する材料开発の指针は全く示されていませんでした。
研究の概要と成果
有机超弾性（※2）、［参考文献3］を発现する结晶相への温度诱起相転移机构を设计した分子性有机结晶を新规合成し、合金の形状记忆効果の発现に成功しました。これは有机物でも合金様の形状记忆効果を発现できるのを示した初めての例となります。加热による温度上昇に伴い形状回復力が强くなるのが合金の形状记忆効果の特长であり、形状记忆高分子とは真逆の特性です。今回の成果は、力强い形状回復力を発现する有机形状记忆材料の创出に必要となる新原理を明瞭に示し、形状记忆合金の有机物代替研究の础となるものです。また、温度上昇に伴い形状回復力が増大する热机械特性は、次代の有机弾性材料开発に対しても新たな指针を与えうるものです。
図1
合金様の形状记忆効果を示す有机结晶（分子性イオン结晶）の组成
（テトラ-n-ブチルホスホニウム テトラフェニルボレート）
（テトラ-n-ブチルホスホニウム テトラフェニルボレート）
研究内容の详细
テトラ-苍-ブチルホスホニウムテトラフェニルボレートの分子性イオン结晶（1）を合成し、合金様の形状记忆効果の発现を実験的に确认しました。约123℃に相転移温度（础蝉）を持つ本有机结晶は、高温相で有机超弾性体に転移します。転移温度以下の温度领域で机械的负荷によって永久歪を持つ双晶変态を生じさせ、加热により相転移温度を越えると超弾性により形状回復します（図2（补））。また、形状回復力である逆変态応力は加热により増加します（図2（产）の1：赤线）。これは、温度によって弾性が増大する有机弾性材料を可能とする热特性です。塑性変态および拟弾性変态に必要な降伏応力を形状记忆合金（図2（产）：青线）と形状记忆高分子（図2（产）：緑线）と比较すると、本有机结晶は形状记忆高分子より软らかく変形し、加热によって大きな形状回復力を発现するのがわかります。転移温度近傍で形状回復力は鋭く立ち上がるため、変形に要する仕事に対して100倍以上の仕事を狭い温度上昇幅で出力できます。（図2（产）の1：赤线）これは热サイクル机械の动力として望ましい特性です。転移温度からわずか10℃の加热で発挥される1惭笔补の形状回復力は、断面积1肠尘2（成人の指ぐらいの太さ）の结晶が10办驳の锤を重力に逆らって持ち上げる力に相当します。そこで、0.18肠尘2の断面积を持つ长さ3.8肠尘の结晶を用いて重量挙げのデモンストレーションを行い、结晶の自重（0.6驳）に対して约170倍の质量である100驳の分铜を持ち上げるのを确认しました（図2（肠））。
図2
今后の展开
温度诱起相転移の导入により有机超弾性材料においても合金の形状记忆効果を発现できるのが明らかになりました。有机超弾性材料は合金の物理的特性を持ち、また有机材料の物质的特性を持つため、両者の长所を併せ持つ実用性の高い有机形状记忆材料の开発につながるものと期待できます。
论文着者ならびにタイトルなど
＜タイトル＞
Shape-memory effect in an organosuperelastic crystal.
＜着者名＞
Satoshi Takamizawa* & Yuichi Takasaki
＜雑誌＞
Chemical Science
＜顿翱滨＞
顿翱滨：10.1039/颁5厂颁04057顿
＜鲍搁尝＞
※本研究は民间助成金（スズキ财団、池谷科学技术振兴财団、日立金属?材料科学财団）の支援を受けて行われました。
Shape-memory effect in an organosuperelastic crystal.
＜着者名＞
Satoshi Takamizawa* & Yuichi Takasaki
＜雑誌＞
Chemical Science
＜顿翱滨＞
顿翱滨：10.1039/颁5厂颁04057顿
＜鲍搁尝＞
※本研究は民间助成金（スズキ财団、池谷科学技术振兴财団、日立金属?材料科学财団）の支援を受けて行われました。
お问い合わせ先
本资料の内容に関するお问合せ
公立大学法人横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科
教授 高见泽 聡
Tel:045-787-2187
E-mail:
教授 高见泽 聡
Tel:045-787-2187
E-mail:
取材対応窓口、资料请求など
公立大学法人横浜市立大学 研究推进课長 竹内 紀充
Tel 045-787-2019
E-mail:
Tel 045-787-2019
E-mail:
参考文献
［1］C. Liu, H. Qin, P. T. Mather, J. Mater. Chem., 17, 1543-1558（2007）
［2］L. C. Chang, T. A. Read, Trans. AIME., 189, 47-52（1951）
［3］S. Takamizawa, Y. Miyamoto, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 6970-6973 (2014).
［2］L. C. Chang, T. A. Read, Trans. AIME., 189, 47-52（1951）
［3］S. Takamizawa, Y. Miyamoto, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 6970-6973 (2014).
用语説明
（※1）形状记忆効果：
机械的负荷により塑性変形した固体が、热によって形状回復する物理特性。形状记忆効果を発现する材料として形状记忆高分子と形状记忆合金が知られるが、化学的（物质的）にも物理的にも完全に独立した材料科学である。本研究で主题となっているのは形状记忆合金で知られる形状记忆効果であり、超弾性を発现する固相への温度诱起相転移により形状回復する特性。一方、高分子材料で知られる形状记忆効果は高分子锁の分子运动が活発化するガラス転移温度近辺で固体（分子运动が冻结して固まったガラス状态）が软化し、抑制されていた弾性が発现して形状回復する特性である。物理机构の违いによって形状回復の力学特性は真逆であり、合金では温度上昇によって形状回復力は高まり、高分子では低下する。
（※2）有机超弾性：
有机物固体の超弾性现象。昨年（2014年）に初めての报告がなされた［参考文献3］。応力诱起マルテンサイト変态によって変形した固体が、除荷后に自発的に形状回復する物理特性。超弾性は1932年の金－カドミウム合金での报告が端绪とされる。有机超弾性の発见がなされるまでは特殊な合金でみられる特异な物理现象と考えられてきた。
机械的负荷により塑性変形した固体が、热によって形状回復する物理特性。形状记忆効果を発现する材料として形状记忆高分子と形状记忆合金が知られるが、化学的（物质的）にも物理的にも完全に独立した材料科学である。本研究で主题となっているのは形状记忆合金で知られる形状记忆効果であり、超弾性を発现する固相への温度诱起相転移により形状回復する特性。一方、高分子材料で知られる形状记忆効果は高分子锁の分子运动が活発化するガラス転移温度近辺で固体（分子运动が冻结して固まったガラス状态）が软化し、抑制されていた弾性が発现して形状回復する特性である。物理机构の违いによって形状回復の力学特性は真逆であり、合金では温度上昇によって形状回復力は高まり、高分子では低下する。
（※2）有机超弾性：
有机物固体の超弾性现象。昨年（2014年）に初めての报告がなされた［参考文献3］。応力诱起マルテンサイト変态によって変形した固体が、除荷后に自発的に形状回復する物理特性。超弾性は1932年の金－カドミウム合金での报告が端绪とされる。有机超弾性の発见がなされるまでは特殊な合金でみられる特异な物理现象と考えられてきた。