粒子間相互作用力制御に基づくコロイド粒子集団の普遍的構造制御手法の確立

液中の微粒子が規則配列した集合体はコロイド結晶と呼ばれ，特異な光学特性を示すことから光学材料などへの応用が期待されている。自己集積現象は，その応用展開に向けた低コストかつ簡便な材料創製手法として注目され，様々な分散系について，また集積手法について，研究がなされている。本研究では，粒子間相互作用力こそが自己集積現象を支配する本質的な因子であるとの着想から，媒質中で粒子に働く相互作用力を定量的に評価し，それがコロイド粒子集合状態を差配するメカニズムを解明することで，集合構造の制御指針の確立を試みた。本研究では多岐にわたるコロイド自己集積系を支配的な相互作用力に基づき大別し，段階的に検討を行った。採用準備期間および採用1年目では，研究計画通り，1) 粒子間力が斥力のみの系，および2) 引力と斥力が支配的な系に着目して検討を行った。濃縮された粒子懸濁液中で，粒子どうしが斥力によって反発しあうことでコロイド結晶が形成する現象に着目し，コロイド結晶が生成する斥力の境界値を，原子間力顕微鏡（AFM）を用いて粒子間力をin-situ測定することで検討した。その結果，この値が媒質によらず一意に定まることを示し，さらに，剛体球系相転移との類似性から，この境界値を演繹的に予測するモデルを確立した。高分子溶液中でコロイド粒子間に働く枯渇引力を利用したコロイド結晶作製では，粒子間ポテンシャルの第二極小値を制御することで，粒子集合状態や形成された規則構造体のサイズが制御可能であることを実証した。さらには，結晶クラスターの「核」生成速度と再配列・成長速度はトレードオフの関係にあり，第二極小値がこれらの最適なバランスを与える条件において，規則構造形成速度は最大となることを見出した。

液中の微粒子が規則配列した集合体はコロイド結晶と呼ばれ，特異な光学特性を示すことから光学材料などへの応用が期待されている。自己集積現象は，その応用展開に向けた低コストかつ簡便な材料創製手法として注目され，様々な分散系について，また集積手法について，研究がなされている。本研究では，粒子間相互作用力こそが自己集積現象を支配する本質的な因子であるとの着想から，媒質中で粒子に働く相互作用力を定量的に評価し，それがコロイド粒子集合状態を差配するメカニズムを解明することで，集合構造の制御指針の確立を試みた。本研究では多岐にわたるコロイド自己集積系を支配的な相互作用力に基づき大別し，段階的に検討を行った。採用準備期間および採用1年目では，研究計画通り，1) 粒子間力が斥力のみの系，および2) 引力と斥力が支配的な系に着目して検討を行った。濃縮された粒子懸濁液中で，粒子どうしが斥力によって反発しあうことでコロイド結晶が形成する現象に着目し，コロイド結晶が生成する斥力の境界値を，原子間力顕微鏡（AFM）を用いて粒子間力をin-situ測定することで検討した。その結果，この値が媒質によらず一意に定まることを示し，さらに，剛体球系相転移との類似性から，この境界値を演繹的に予測するモデルを確立した。高分子溶液中でコロイド粒子間に働く枯渇引力を利用したコロイド結晶作製では，粒子間ポテンシャルの第二極小値を制御することで，粒子集合状態や形成された規則構造体のサイズが制御可能であることを実証した。さらには，結晶クラスターの「核」生成速度と再配列・成長速度はトレードオフの関係にあり，第二極小値がこれらの最適なバランスを与える条件において，規則構造形成速度は最大となることを見出した。