特集 学生の研究活動報告−国内学会大会・国際会議参加記 21 第 75 回応用物理学会秋季学術 講演会に参加して 濱 孝 3．実験内容・結果 シリコーン（PDMS）ゴム中では分子が大きな拡 政 Takamasa HAMAZAKI 電子情報学科 4年 散係数で流動するため，図 1（a）に示すように， 劣化した色素を新鮮な色素に置き換える新陳代謝機 能が生じる．レーザ発振や変色などの機能を示す光 路上の色素分子が 2 次元拡散する速さを調べるた 1．はじめに め，図 1（b）に示す PDMS のサンプル（直径 44 私は，2014 年 9 月 17∼20 日に北海道大学で開催 mm，厚さ 3 mm）を作製した．拡散を促進させる された「第 75 回応用物理学会秋季学術講演会」に ため，シリコーンオイルを硬化させる前に 60 vol％ 参加し，18 日に「シリコーン中に分散した色素分 のトルエンを加えてシリコーンゴムを膨潤状態にし 子の拡散速度評価」というテーマで発表を行った． た．分子移動を追跡するトレーサとして，安定した 変色状態（構造異性体）をもつジアリールエテンを 2．研究背景 シリコーン中に分散させ（濃度 10−4mol/l），中心部 有機色素は，発光，吸収，変色など優れた機能を にビーム径 1.5 mm の紫レーザ（波長 405 nm）を照 示すため，様々な光制御デバイスに利用されてい 射して赤色に部分着色させた．レーザ照射部にビー る．しかし，有機色素は劣化しやすく，素子寿命が ム径 1.0 mm の白色光を通して測定すると，図 2 に 短くなるという問題がある．色素レーザなどでは色 示すように，もともと透明なサンプルが可視域に吸 素分子を溶媒に溶かしてポンプで循環させること で，機能の低下を防いでいる．また，フォトクロミ ック色素は分子構造の変化を必要とするため，自由 空間が小さい固体中よりも液体中の方が反応効率や 応答速度が高い．しかし，液体は流動性があるため 不安定で，取り扱いも難しく固体よりもデバイス化 が困難である．シリコーンは他のポリマーに比べて 分子の拡散係数や透過係数が高く，固体でありなが ら分子の流動性をもつことが報告されている．これ 図 1 （a）新陳代謝機能の模式図．（b）PDMS ゴムに色素を浸透させたサンプルの構造とレー ザ照射点と測定点． までの研究で，色素溶液をシリコーンの表面に接触 させておくと，溶媒とともに内部へ浸透していく現 象が見られた．この現象を利用して，フォトクロミ ック色素をシリコーン中に分散させた試料で，劣化 した色素を新鮮な色素と置き換える新陳代謝機能が 生じることも確認されている．本研究では，着色に よって分子移動を追跡できるフォトクロミック色素 を用いて，シリコーン中での拡散速度を評価するこ とに取り組んだ． 図 2 サンプルの中心（x＝0）での紫照射前と 後の透過スペクトル変化． ― S-109 ― 図 3 紫レーザを照射して 0, 1, 3, 15 時間後の x＝2 mm 位置での透過スペクトル変化． 収帯を持つようになる．そこに緑レーザを照射する と，もとのスペクトルに戻る（フォトクロミック反 応）．着色した分子が拡散するため，着色領域はし だいに広がり，中心から x＝2 mm の位置では，図 図 4 トルエン混合比が（a）1 vol％と（b）60 vol％試料中の光学濃度分布．数値は照射開 始からの時間を表し，線はシミュレーション 結果を示す． 3 のように吸収帯の増大が観測された． 4．シミュレーション結果 測定位置 x を変えていった透過スペクトル（図 3 参照）を光学濃度に変換して分布の評価を行ったも ーンが膨潤し，拡散速度が速くなることが分かっ のを図 4 に示す．トルエンを（a）1 vol％だけ混合 た．このことを利用すると，有機色素デバイスの長 したサンプルに比べ，（b）60 vol％のサンプルでは 寿命化を効率的に行うことができ，固体での光学デ 色素が速く拡散し，15 時間で半径 10 mm 以上に広 バイス作製に有用であると考えられる．また，今回 " !"t #!D " c （c がっている．フィックの法則 C 2 は光学濃度）にもとづいて，2 次元拡散を有限要素 法でシミュレーションした結果，拡散係数 D を （a）0.1×10−3，（b）1.5×10−3mm2 /s としたとき，測 の測定法を用いると他の溶媒，溶質を利用した拡散 測定も可能と考えられる． 6．おわりに 定値に適合することが分かった．トルエンの混合比 今回はポスター発表を行ったが，参加者の方々か を 60 vol％にすることによりシリコーンが膨張し ら多くの質問や意見をいただき，ディスカッション て，1 vol％のものと比べて拡散速度が 6.5 倍も速く をしている中で非常に良い経験ができた． 今回の発表を行うにあたって，懇切なご指導をい なったことが分かる． ただいた斉藤光徳教授をはじめ，斉藤研究室の皆様 5．まとめ に，この場を借りて厚く御礼申し上げます． トルエンの混合比を高くすることにより，シリコ ― S-110 ―
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