東京工業大学(東工大)、科学技術振興機構(JST)、神奈川県立産業技術総合研究所(KISTEC)の3者は2月25日、ホウ素の単原子層物質である「ボロフェン」に類似した、新物質「ボロフェン類似物質」が液晶材料となることを発見し、高温で駆動できる光学デバイスになることを実証したことを発表した。
同成果は、東工大 科学技術創成研究院の神戸徹也助教、同・山元公寿教授、同・宍戸厚教授、同・久保祥一准教授、KISTECのエン・トウエン博士研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。
流動性と結晶性を兼ね備える液晶素子の開発は、これまで有機物から合成されるものが中心となっており、中でも有機分子から作られる液晶は、分子設計によって特性を制御できる可能性があるが、その一方で液晶として駆動できる温度範囲が限定されてしまうことが課題となっていた。もし、液晶を無機物で合成できれば、安定性などが本質的に異なる新しい材料が実現すると推測されているが、通常の無機物は剛直であり、液晶としての駆動は見込めないと考えられてきた。
そこで研究チームは今回、特殊な物理的・化学的性質から、グラフェンを凌駕する物理的・電子的物性のポストグラフェン材料として期待されているボロフェンに着目することにしたという。というのも、これまでの研究で、大気圧下での簡便な方法によってその類似物質(化学ボロフェン)を合成することに成功しており、この化学ボロフェンは一般的な分子とは異なり、二次元的に広がった大きな形状異方性を持っており、液体状態においても部分的な結晶性が保持されることから、液晶状態の発現が期待されていたためだという。
これまでの研究による分子から合成できる化学ボロフェンではなく、今回の研究では加熱処理を採用したところ、結晶性が低下して流動性が発現することで液晶になることが発見されたという。また、各種の分析から、その液晶化がボロフェンの末端部位の脱水反応により引き起こされていることが判明したという。
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化学ボロフェン液晶の偏光顕微鏡による観察像。(左上)化学ボロフェンの化学構造で、白い矢印で示したものがホウ素と酸素からなる単層の化学ボロフェン。間にある紫の球は、カリウムカチオンを示している。(全体)球滴が化学ボロフェン。脱水反応で液晶化して規則的に並び干渉が生じることで、偏光顕微鏡観察において明るく観測される (出所:共同プレスリリースPDF)
新たに開発された化学ボロフェンからなる液晶は、「構成元素が炭素を利用しない無機物であること」、「構成要素が二次元原子層物質であること」の2点で通常よく知られている液晶とは大きく異なっている点が特徴であり、これらのことから、350℃の高温でも液晶状態が保持できることも判明したほか、実際に電圧をかけたところ、光学デバイスとして駆動できることも確認されたとしている。
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化学ボロフェンによる無機液晶の熱変化挙動。P-iiとP-iがそれぞれ異なる相だが、干渉縞が見えることで高温でも液晶性を示していることが確認できる (出所:共同プレスリリースPDF)
研究チームでは、今回の成果の基礎となる原子層物質の低分子からの合成は近年注目されており、構成元素の変更によるさまざまな物性の発現も可能だとしており、こうした新規物質は、液晶機能の利用だけでなく、さまざまな電子素子や吸着剤などへの応用も期待できるとの見方を示し、今後の液晶機能における高温での動作の実現のみならず、二次元シートの配列を制御したFETなどのデバイス素子の開発にもつながることが期待されるとしている。
