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自然に学ぶ研究事例

第131回オパールに学ぶ高分子レーザーの開発
材料・デバイス開発
鉱物資源
高分子とコロイド結晶の複合化で波長可変レーザーをつくる
ナノサイズの微粒子が規則的に配列したコロイド結晶。 微粒子の大きさや間隔、光の入射角によって 特定の光を反射し、さまざまな色を発色する オパールに学ぶ高分子レーザーの開発とは?
オパールと高分子レーザー
オパールと高分子レーザー

左上段の写真は天然のオパールで、多彩な発色を見せている。右最上段の写真はオパールにならって作製したコロイド結晶膜で、赤、緑、青に美しく発色している(写真提供:独立行政法人 物質・材料研究機構 主幹研究員 不動寺 浩 博士)。共焦点レーザー顕微鏡でコロイド結晶構造を観察すると、数百nmの微粒子が規則正しく密に配列していることがわかる(右上から2段目)。中段の写真は、コロイド結晶ハイドロゲル膜を用いたレーザーの顕微発光像で、左から波長が 655nm 、610nm、588nmとなっており、連続的、可逆的に波長を変えることができる。下段の写真は、発光性の無機ナノ材料を透過型電子顕微鏡(TEM)で撮影したもので、ナノスケールでサイズが揃っていることがわかる。

多彩で複雑な色合いをもつ宝石として珍重されるオパール。その発色は、ナノサイズのシリカ微粒子が規則的に並び、3次元の周期構造を形成するコロイド結晶に由来するものです。長い時間をかけて自然に集積、配向した微粒子の大きさや形状、間隔などのナノスケールの微妙な違いによって反射光が変化し、さまざまな色の美しい輝きを放っているのです。

そうしたコロイド結晶を高分子と複合化することで、色が変化する高分子レーザーを開発しようという研究が行われています。ハイドロゲルでコロイド結晶を固定化し、間に有機色素を挟んだ膜をつくり、光を当てるとレーザー発振することが確認されたのです。柔軟性、含水性が高いハイドロゲル中に密度を薄くした非最密充填でコロイド結晶を形成すると、圧縮、延伸などの外部刺激で微粒子が動きます。結晶構造を保持したまま微粒子の間隔が広くなったり狭くなったり変化しつつ、一定の間隔を保って配向することで反射波長が変わり、色が変わる波長可変レーザーができたのです。

また、ハイドロゲルは水中から出すと乾燥して固くなってしまうという課題がありました。そこで、水と親和性が高く、ハイドロゲルを膨潤させることができるイオン液体をさまざまに探査し、水と置換することで、長期にわたってハイドロゲルの乾燥を防ぎ、膨潤状態を保つことにも成功しています。これにより、場所を選ばずに膜を作成し、利用できるようになりました。

現在は、フルカラーでレーザー波長を制御する研究、有毒元素を含まない無機ナノ材料を利用した発光の安定化に関する研究なども進められています。赤・青・緑の3つの光源でさまざまな色を再現しているのが現状ですが、将来的には、レーザーテレビやレーザーによる診断・治療へ応用できる、1つの光源でフルカラーを再現する長寿命なデバイスの開発が期待されているのです。

古海誓一 准教授

東京理科大学 理学部

新しいことにチャレンジし、研究の幅を広げたい
以前は研究機構に所属していましたので、10年間ほど、1人でほぼ研究のみをしていました。自分の裁量で時間を自由に使うことができたことが、いまと大きく違う点ですね。大学に移ってまだ1年目で、学生の指導、講義、研究室の立ち上げなど、とにかくやることがたくさんあって、大変だなぁと実感しています。ただ、同じ分野の研究だけやっていると研究の幅が広がりませんので、学生と一緒に研究することで新しいことにチャレンジしたいという想いもあり、これまで自分がやってきたことを次の世代に伝えることを楽しんでいます。 この研究の最終目標は、フルカラーでのチューニングであり、寿命の長いデバイスをつくることです。それに成功すれば、実用化に一歩近づけるのではないかと考えて研究を進めています。

トピックス
オーストラリア人研究者によって、天然オパールの秘密がシリカ微粒子の周期配列構造によるブラッグ反射であることが解明されたのは、1964年のことです。ブラッグ反射とは、周期的な構造をもつ物質にある波長の光線をいろいろな角度から当てると、角度によって反射が見られたり、見られなかったりすること、つまり、見る方向により色の見え方が変わることです。この現象は、構造色と呼ばれる色素によらない発色、オパールや真珠、貝殻、タマムシ、モルフォ蝶、クジャクの翅など、さまざまな美しい色に輝く自然界の構造色の研究が注目される1つのキッカケとなったと言えます。以来、構造色の研究はさまざまに行われており、塗料や繊維、化粧品などへの応用例も見られるようになっています。
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