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結晶にも液晶にも液体にも分類されない新物質

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の梶谷孝特任准教授、福島孝典教授らを中心とした研究グループは物性研究所の柴山充弘教授らと共同で、単結晶のような規則構造を自発的に形成し、さらに規則構造を崩さずに、液体のように流動性をもつ新物質を発見しました(図1)。

基板上での液滴内部の分子集合構造
図1 基板上での液滴内部の分子集合構造

合成したのは、トリフェニレンヘキサカルボン酸エステルにキラル側鎖を導入した誘導体で、立体構造的に重ね合わさらない鏡像(R体とS体)を持つキラル分子です(図2)。この物質を加熱融解して冷却すると、液滴のような形状になるものの、単結晶のような構造規則性をもつことがわかりました。この様に三次元の構造規則性を保持しながら流動性を持つことは、液晶では起こらない現象で、全く新しい物質であることを示しています。この挙動と集合構造を調べたところ、液体と結晶の中間相では、キラル分子がヘリンボーン状にパッキングされて二次元シートが形成され、それらが積層することで、あたかも単結晶のような三次元構造を形成していることが分かりました。そして二次元シート間で滑り運動が生じることで一方向に回転しながら流れることが分かりました。この回転方向はトリフェニレンに導入した側鎖のキラリティーで決まり、R体側鎖の場合は液滴が右方向に回転し、S体側鎖の場合には左方向に回転します。つまり分子がもつキラリティーが、巨視的かつ異方的に、分子の集団運動を誘起していることになります。

キラルトリフェニレンの分子構造
図2 キラルトリフェニレンの分子構造

分子の自発的な集合によるナノメートルクラスの物質は作製できますが、高性能な有機材料の開発に求められる、数ミリ〜数センチスケールの超長距離構造秩序を実現することは極めて困難でした。また通常、単結晶は固い多面体の形状ですが、本物質は液滴のような形状で、かつ流動性をもつという構造特性と運動性が相矛盾する性質を示しました。

本成果は英国時間1月21日発行のNature Materials誌に掲載されました。

東京工業大学発表プレスリリース

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(公開日: 2019年01月22日)