東工大,高分子破壊時のメカノラジカルを可視化

東京工業大学は,これまで評価が困難であった,高分子鎖の切断によって生じるメカノラジカルを,分子プローブを用いて可視化・定量評価することに成功した(ニュースリリース)。

高分子材料の劣化原因は多岐にわたる。なかでも,圧縮,曲げ,延伸,摩擦,衝撃などの力学的刺激による高分子材料の分子レベルの破壊は,いまだ体系的な解明がなされていない。

その主な理由として,高分子鎖の切断にともなって発生するメカノラジカルが超微量かつ不安定なため,可視化および定量評価が困難であることが挙げられる。この超微量かつ不安定なメカノラジカルを多角的に評価する戦略の一つとして,メカノラジカルを安定ラジカルへと変換する方法が考えられる。

これまでは,不安定なラジカルから安定ラジカルへの変換にはスピントラップ法が広く用いられていたが,その適用範囲は溶液系に限定されており,多くの高分子材料がとる固体状態において可視化や定量評価に成功した例はなかった。

研究では,高分子鎖の切断時に発生する超微量で不安定なメカノラジカルを,分子プローブによって蛍光性の安定ラジカルに変換することで,メカノラジカルの可視化とその定量評価に初めて成功した。

研究グループは,分子プローブとして機能するジアリールアセトニトリル(H-DAAN)と呼ばれる比較的単純な分子骨格を,汎用高分子の一種であるポリスチレンに混合し,すり潰すという操作のみで,超微量(数十nmolオーダー)しか発生しないメカノラジカルの可視化と定量評価を実現した。

この反応プロセスは,H-DAANのベンジル位プロトンが引き抜かれることで発生するDAANラジカルは室温で安定であり,DAANラジカル由来の蛍光は通常の着色に比べて視認性が高い。また,DAANラジカルはメカノラジカルと比べて格段に安定であるため,電子スピン共鳴(ESR)測定および蛍光強度測定によって多角的な評価が可能,といった特長がある。

実際に,メカノラジカル発生にともなって生じるDAANラジカルをESR測定によって定量評価した結果,H-DAANを分子プローブとして用いてメカノラジカルを定量的に評価できることを確認した。

研究グループは,今後,他の高分子や複数の組成を持つ高分子を対象として,分子鎖レベルからミクロレベル,さらにはマクロレベルへという階層的なアプローチによって高分子の破壊現象に迫り,その学術基盤を構築することを目指す。さらにこの研究の成果を基盤として,様々な高分子材料の耐久性評価,破壊現象の解明,損傷検知,寿命予測に関する研究を加速させていくとしている。

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