(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ−ブチルアミンまたは４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニルからなる一対の有機分子層をＨＴｉＮｂＯ5 単結晶からなるホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、
上記一対の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートした後、室温ネマティック液晶５ＣＢからなる少なくとも一層の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する無機有機複合材料の製造方法。
【請求項２】
上記ホスト無機層状物質をｎ−ブチルアミンまたは４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニルの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記一対の有機分子層をインターカレートし、上記ホスト無機層状物質を室温ネマティック液晶５ＣＢの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記室温ネマティック液晶５ＣＢからなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする請求項１記載の無機有機複合材料の製造方法。
【請求項３】
ｎ−ブチルアミンまたは４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニルからなる一対の有機分子層をＨＴｉＮｂＯ5 単結晶からなるホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、
上記一対の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートした後、室温ネマティック液晶５ＣＢからなる少なくとも一層の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有するアクチュエータの製造方法。
【請求項４】
上記ホスト無機層状物質をｎ−ブチルアミンまたは４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニルの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記一対の有機分子層をインターカレートし、上記ホスト無機層状物質を室温ネマティック液晶５ＣＢの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記室温ネマティック液晶５ＣＢからなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする請求項３記載のアクチュエータの製造方法。
【請求項５】
ｎ−ブチルアミンまたは４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニルからなる一対の有機分子層をＨＴｉＮｂＯ5 単結晶からなるホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、
上記一対の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートした後、室温ネマティック液晶５ＣＢからなる少なくとも一層の有機分子層を上記ホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する人工筋肉の製造方法。
【請求項６】
上記ホスト無機層状物質をｎ−ブチルアミンまたは４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニルの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記一対の有機分子層をインターカレートし、上記ホスト無機層状物質を室温ネマティック液晶５ＣＢの溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に上記室温ネマティック液晶５ＣＢからなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする請求項５記載の人工筋肉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無機有機複合材料およびその製造方法ならびにアクチュエータおよびその製造方法ならびに人工筋肉およびその製造方法に関する。より具体的には、この発明は、外場、特に電場に応答して変位を生じるデバイスの実現に有用なものであり、例えば、エレクトロニクス、ロボティクス、医療などの分野で利用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在実用化されているアクチュエータとしては、電気駆動による電磁モータや電歪素子（圧電素子）、流体圧駆動による油圧アクチュエータや空気圧アクチュエータがほとんどである。実際、工場における種々の自動化機器や各種輸送機器などで用いられる限りは、これら既存のアクチュエータで実用上十分な特性が得られている。しかしながら、例えば、現在開発が急がれている自律型ロボット用アクチュエータでは、複数のアクチュエータが協調して三次元的自由度を有した動作を行う必要があり、このような場合、一つのアクチュエータの発生力および自重が他のアクチュエータの負荷となるため、その自由度が増すにつれ、制御困難性や総重量が飛躍的に増大する（高森年著、「アクチュエータ革命」工業調査会、1987）。
【０００３】
このような利用においては、生体が有する筋肉が、バランスのよい優れたアクチュエータといえる。具体的な数値を挙げると、変位は収縮方向に５０％、応答時間は３０ｍｓ、発生張力は２〜１０ｋｇ／ｃｍ2 、発生出力は単位重量当たり最大で０．１〜０．３Ｗ／ｇとなり、これら全てを満たすアクチュエータは現在のところ開発されていない（応用物理  第６０巻第３号（1991）p.258 ）。さらに、柔軟であることも生体筋の大きな特質である。
【０００４】
この生体筋類似の人工筋肉として近年注目されているものに刺激応答性高分子ゲルがあり、この分野の研究が活発に行われている。この高分子ゲルは、電場、温度、ｐＨ、溶液濃度などの外部環境の変化により、ゲルに含まれる溶媒が移動し、ゲルの体積変化を生じることにより駆動する。このアクチュエータシステムは、軽く柔軟であり、無騒音、燃焼に伴う排気ガスを発生しないなどの多くの利点を有する。しかしながら、現在開発中の高分子ゲルでは、主な問題点として下記の問題点が指摘されている。
【０００５】
（１）その構造が異方性を有しないので、三次元的な伸縮（膨潤・収縮）となってしまい、一次元的に伸縮可能な構造（例、生体筋）に比べてエネルギー効率が低い。
（２）力学的強度や耐久性が低い。
（３）駆動メカニズムが溶媒移動による体積変化であるため、応答速度が溶媒の拡散に律速され、遅い。
【０００６】
上記（３）の問題点の解決策として、電場駆動による高分子液晶あるいは液晶エラストマーを主構成要素に用いた液晶アクチュエータが報告されている（例えば、特開平３−５７２０号公報、特開平３−７０７９号公報、特開平６−３２４３１２号公報）。この液晶アクチュエータの駆動メカニズムは液晶の電場による配向変化を高分子鎖に伝達して変形を起こさせるものであるので、溶媒拡散に律速されるものに比べて応答速度が速いという利点がある。より詳細には、特開平３−５７２０号公報および特開平３−７０７９号公報では、高分子液晶あるいは液晶エラストマーを二つの電極によって挟んだ構造からなる液晶アクチュエータが、特開平６−３２４３１２号公報では、液晶エラストマーが低分子液晶物質により膨潤された、いわゆる液晶ゲルを素材としたアクチュエータが開示されている。しかしながら、これらの液晶アクチュエータでは、マトリックスとなる高分子部分が異方性を有していないために、力および変位を取り出す際の効率が低下していることが問題点と考えられる。
【０００７】
一方、現在実用化されているアクチュエータの一つに、電場印加により歪みを生じ、駆動する電歪素子がある。この電歪素子は一般に、無機材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とするセラミックスで形成されており、強度・耐久性に優れ、応答速度が速いという利点を有するが、変位が小さく（０．１％程度）、柔軟性に欠けるという問題点を有する。
【０００８】
しかしながら、本発明者らの知見によれば、これまでの液晶アクチュエータは高分子をマトリックスに用いているために、液晶分子の電場配向に伴うエネルギーを効率的に機械エネルギーに変換することができない。エネルギーを効率的に力に変換するためには、一方向にのみ伸縮が起きるような構造異方性を有したマトリックスを利用することが考えられるが、そのようなマトリックスを有した液晶アクチュエータはこれまで報告されていない。さらに、従来の電歪式無機アクチュエータは、柔軟性に乏しく、変位が小さいという問題点を有する。
【０００９】
さらに、無機有機複合系インターカレーション物質を用いた変位素子については、特開平０５−１１０１５３号公報および特開平０６−１２５１２０号公報に開示されている。これらの変位素子では、無機層状物質の層間へ極性有機物質を挿入した化合物に外部電場を印加することにより、極性有機物質の配向角度を変化させ、駆動を行う。しかしながら、これらの変位素子は全固体型であり、上述の電歪式無機アクチュエータと同様に柔軟性に欠ける。
【００１０】
インターカレーションの手法を利用してアクチュエータを実現する技術については、特開平２−１３１３７６号公報および特開平４−１２７８８５号公報に開示されている。これらのアクチュエータはともに、ホスト材料へのゲストイオンの出し入れによる体積変化を駆動力としている。より詳細には、特開平２−１３１３７６号公報に開示されたアクチュエータは電解質であるポリエチレンオキサイドを黒鉛層間化合物でサンドイッチした構造を有し、その層間をＬｉが輸送されることにより屈曲が生じるものである。一方、特開平４−１２７８８５号公報に開示されたアクチュエータは、正／負極にＡｇ0.7 Ｖ2 Ｏ5 を用い、固体電解質に４ＡｇＩ−Ａｇ2 ＷＯ4 を用いたものである。これらの公報のいずれにおいても、ゲストとして液晶分子はもちろん他の有機分子についても言及されておらず、この発明とは別異のものと考えられる。
【００１１】
液晶とインターカレーション化合物（例えば、粘土鉱物）との複合化については、特開平０７−２７８５４９号公報、特開平０７−３１８９８２号公報、特開平０８−０４５６６２号公報、特開平０８−０１５６６３号公報、特開平０８−２６９４５３号公報、特開平０８−３０２３５１号公報および特開平１０−１４８８４９号公報に開示されている。これらの公報では、粘土鉱物などの偏平形状粒子に液晶親和性を持たせ、それを液晶マトリックス中に分散させることによってできる液晶組成物や、メモリー性・高速応答性を有する光散乱型調光素子、記録媒体・記録素子、温度応答型光シャッターなどへの応用について開示されているが、アクチュエータへの応用や変位に関しては言及されていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、これまでは、強靭性、柔軟性、得られる変位の大きさ、応答速度、変位を取り出す際のエネルギー効率などの諸点で満足し得る性能を得ることは困難であった。
従って、この発明が解決しようとする課題は、インターカレーションの手法により無機層状物質と液晶性を示す有機分子とを分子レベルで複合化することにより、上記のような従来技術の欠点を改善し、強靭性、柔軟性、得られる変位の大きさ、応答速度、変位を取り出す際のエネルギー効率などの諸点で満足し得る性能を得ることができる新規な無機有機複合材料およびその製造方法ならびにこの無機有機複合材料を用いた新規なアクチュエータおよび人工筋肉ならびにそれらの製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来技術が有する上記課題を解決するために、理論・実験の両面から鋭意検討を行った。その結果、上記課題を一挙に解決するためには、インターカレーションの手法により無機層状物質の層間に液晶を挿入し、無機層状物質と液晶分子とを分子レベルで複合化した無機有機複合材料（インターカレーション化合物）を用いてアクチュエータを構成することが有効であるという結論に到達し、その無機有機複合材料を実現すべく鋭意研究を行い、合成に成功したものである。そして、この無機有機複合材料を用いて、無機物の強靱性と有機物の柔軟性とを兼ね備えた全く新規な構成を有するアクチュエータを創出した。これまで、このような無機層状物質に液晶をインターカレートした化合物をアクチュエータに用いることについての報告は皆無であった。
【００１４】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなる無機有機複合材料において、
少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる
ことを特徴とするものである。
【００１５】
この発明の第２の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料の製造方法であって、
ゲスト有機物質をホスト無機層状物質の層間にインターカレートするようにした
ことを特徴とするものである。
【００１６】
この発明の第３の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いた
ことを特徴とするアクチュエータである。
【００１７】
この発明の第４の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いたアクチュエータの製造方法であって、
ゲスト有機物質をホスト無機層状物質の層間にインターカレートするようにした
ことを特徴とするものである。
【００１８】
この発明の第５の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いた
ことを特徴とする人工筋肉である。
【００１９】
この発明の第６の発明は、
ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなり、少なくとも一種類の上記ゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子からなる無機有機複合材料を用いた人工筋肉の製造方法であって、
ゲスト有機物質をホスト無機層状物質の層間にインターカレートするようにした
ことを特徴とするものである。
【００２０】
この発明において、「  液晶性を有する有機分子」  とは、ある有限温度範囲で液晶性を示す有機分子のことを言い、ネマティック相、コレステリック相、スメクティック相のいずれの相をとるものでもよい。
【００２１】
この発明において、無機有機複合材料は、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層である場合、言い換えれば、ホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子からなる有機分子層のみが存在する場合もあるし、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、層に平行に配置された、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層を含む複数の有機分子層である場合もある。後者の場合の複数の有機分子層は少なくとも二種類以上の有機分子層を含み、典型的には、第１の有機分子層、この第１の有機分子層と異なる第２の有機分子層および第１の有機分子層と同一の第３の有機分子層からなり、その第２の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなる。
【００２２】
これらの複数の有機分子層は、インターカレーションの手法を用いて無機有機複合材料の製造を容易に行う観点から、好適には、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層とこの有機分子層を挟む、液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層とを含む。具体的には、例えば、これらの複数の有機分子層は、第１の有機分子層、この第１の有機分子層と異なる第２の有機分子層および第１の有機分子層と同一の第３の有機分子層からなり、第２の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなり、第１の有機分子層および第３の有機分子層が上記液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる。この場合、好適には、液晶性を有する有機分子と液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子とは、少なくとも一つの同一の官能基および／または互いに類似の構造を有する。この官能基は、例えば、アミノ基、アルキル基、アリル基、スルホン基、シアノ基およびカルボニル基からなる群より選ばれた少なくとも一つの官能基である。
【００２３】
この発明において、電場印加により液晶性を有する有機分子の配向変化を起こさせる観点から、好適には、液晶性を有する有機分子の炭素位置の少なくとも１箇所に極性官能基が少なくとも１個結合している。この極性官能基は、例えば、−ＮＨ2 、ＮＲ2 （ただし、Ｒはアルキル基）、−ＮＰｈ2 （ただし、Ｐｈはフェニル基）、−ＳＯ3 ＨおよびＣＮからなる群より選ばれた少なくとも一種類の極性官能基である。
【００２４】
また、ホスト無機層状物質は、その層間に液晶性を有する有機分子を挿入可能なものであれば基本的には何を用いてもよい。例えば、アミン系分子の挿入が可能な無機層状物質であれば、二段階インターカレーション法によってこの液晶性を有する有機分子を挿入することが可能である。アミン系分子のインターカレーションが報告されている無機層状物質としては、スメクタイト、バーミキュライト、雲母などの層状粘土鉱物を筆頭に、ＴａＳ2 などの金属カルコゲン化物、ＦｅＯＣｌなどの金属オキシハロゲン化物、Ｖ2 Ｏなどの金属酸化物、Ｚｒ（ＨＰＯ4 ）2 ・ｎＨ2 Ｏ（リン酸ジルコニウム）などの金属リン酸塩などがある。従って、少なくとも上記無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子を挿入することは可能である。これらのホスト無機層状物質をまとめて示すと下記のとおりである。これらの層状無機物質のほとんどは、上記の層状無機物質と性質が似かよっているので、アミン系分子のインターカレーション、さらには液晶性を有する有機分子のインターカレーションが可能と考えられる。
【００２５】
（１）層状ペロブスカイト・ニオブ系
ＫＬａＮｂ2 Ｏ7 、ＫＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＲｂＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＣｓＣａ2 Ｎｂ3 Ｏ10、ＫＮａＣａ2 Ｎｂ4 Ｏ13
（２）層状ペロブスカイト銅系
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏ10
（３）層状チタン・ニオブ酸塩
ＫＴｉＮｂＯ5 、Ｋ2 Ｔｉ4 Ｏ9 、Ｋ4 Ｎｂ6 Ｏ17
（４）層状岩塩酸化物
ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2
（５）遷移金属酸化物ブロンズ系
ＭｏＯ3 、Ｖ2 Ｏ5 、ＷＯ3 、ＲｅＯ3
（６）遷移金属オキソ塩化物
ＦｅＯＣｌ、ＶＯＣｌ、ＣｒＯＣｌ
（７）層状ポリケイ酸塩
Ｎａ2 Ｏ−４ＳｉＯ2 −７Ｈ2 Ｏなど
（８）層状粘土鉱物
スメクタイト、バーミキュライト、マイカ雲母など
（９）ハイドロタルサイト
Ｍｇ6 Ａｌ2 （ＯＨ）16ＣＯ3 −Ｈ2 Ｏ
（10）遷移金属カルコゲナイド
ＴａＳｅ2 、ＴａＳ2 、ＭｏＳ2 、ＶＳｅ2
（11）リン酸ジルコニウム塩
Ｚｒ（ＨＰＯ4 ）2 ・ｎＨ2 Ｏ
（12）グラファイト
Ｃ
などである。これらの無機物質の多くは二次元性が強く、結晶合成時にｃ軸方向に配向しやすい。また、大きな結晶が得られないものでも、その微結晶を含んだ溶液をキャストすることにより高度にｃ軸配向した膜が得られるものが多い。
【００２６】
このホスト無機層状物質は、電圧印加により無機層状物質の層間に存在する液晶性を有する有機分子の配向特性を変化させ、層間隔を変化させるが、この層間隔変化をマクロな現象として効率的に取り出すためには、最も好適には単結晶、典型的には一辺の長さが１μｍ以上の単結晶であるが、ｃ軸配向に好適には高度に配向したバルク多結晶または薄膜の形状を有するものであってもよい。
【００２７】
次に、液晶性を有する有機分子からなるゲスト有機物質は、ある有限温度範囲で液晶性を示し、電圧印加によって配向変化を起こす有機分子からなるものであれば基本的には何を用いてもよい。特に、第二段階目以降に挿入する液晶性を有する有機分子については、アミノ基を有し、液晶性を有する有機分子と同一官能基あるいは類似構造を有する有機分子を第一段階目に入れるという考え方では、ほとんどの液晶性を有する有機分子が挿入可能である。このような液晶性を有する有機分子の代表的なものとしては、例えば、
【化１】
0004538977.tif 000002
【化２】
0004538977.tif 000003
【化３】
0004538977.tif 000004
に示すシッフ塩基系、
【化４】
0004538977.tif 000005
【化５】
0004538977.tif 000006
【化６】
0004538977.tif 000007
【化７】
0004538977.tif 000008
【化８】
0004538977.tif 000009
【化９】
0004538977.tif 000010
【化１０】
0004538977.tif 000011
【化１１】
0004538977.tif 000012
【化１２】
0004538977.tif 000013
に示す安息香酸エステル系、
【化１３】
0004538977.tif 000014
【化１４】
0004538977.tif 000015
に示すビフェニル系、
【化１５】
0004538977.tif 000016
に示すターフェニル系、
【化１６】
0004538977.tif 000017
【化１７】
0004538977.tif 000018
【化１８】
0004538977.tif 000019
【化１９】
0004538977.tif 000020
に示すシクロヘキシルカルボン酸エステル系、
【化２０】
0004538977.tif 000021
【化２１】
0004538977.tif 000022
【化２２】
0004538977.tif 000023
に示すフェニルシクロヘキサン系、
【化２３】
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に示すビフェニルシクロヘキサン系、
【化２４】
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に示すシクロヘキシルシクロヘキサン系、
【化２５】
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に示すビフェニルシクロヘキサン系、
【化２６】
0004538977.tif 000027
【化２７】
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に示すシクロヘキシルシクロヘキサンエステル系、
【化２８】
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に示すビフェニルシクロヘキサン系、
【化２９】
0004538977.tif 000030
【化３０】
0004538977.tif 000031
に示すピリミジン系、
【化３１】
0004538977.tif 000032
【化３２】
0004538977.tif 000033
に示すジオキサン系、
【化３３】
0004538977.tif 000034
【化３４】
0004538977.tif 000035
【化３５】
0004538977.tif 000036
に示すシクロヘキシルカルボン酸エステル系、
【化３６】
0004538977.tif 000037
【化３７】
0004538977.tif 000038
【化３８】
0004538977.tif 000039
【化３９】
0004538977.tif 000040
に示すシクロヘキシルエタン系、
【化４０】
0004538977.tif 000041
【化４１】
0004538977.tif 000042
に示すアゾキシ系、
【化４２】
0004538977.tif 000043
に示すアゾ系、
【化４３】
0004538977.tif 000044
【化４４】
0004538977.tif 000045
に示すコレステロール系などがある。さらに、不斉炭素を有した強誘電性あるいは反強誘電性を示す液晶分子、主鎖あるいは側鎖にメゾゲン基を有する高分子液晶、有機金属錯体を用いた液晶分子なども利用可能である。なお、液晶は一種類のものを単独で用いても良く、二種類以上のものを混合して用いても良い。
【００２８】
この発明において、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層である無機有機複合材料は、この少なくとも一層の有機分子層をホスト無機層状物質の層間に直接インターカレートすることにより製造することができる。例えば、ホスト無機層状物質がＨＴｉＮｂＯ5 である場合を考えると、このＨＴｉＮｂＯ5 は固体酸の性質を有するので、塩基性有機分子、特にアミン系分子がインターカレーションを容易に行うことができるものであり、これは一般的に知られた事実である。従って、アミン系液晶であれば、ＨＴｉＮｂＯ5 の層間に一段階のインターカレーションで直接挿入可能と考えられる。このアミン系液晶の分子の例を挙げると、下記のとおりである。これらは非対称な三級アミンをベンゼン環あるいはシクロヘキサン環と結合させた化合物である。
【００２９】
【化４５】
0004538977.tif 000046
【化４６】
0004538977.tif 000047
【化４７】
0004538977.tif 000048
【化４８】
0004538977.tif 000049
【化４９】
0004538977.tif 000050
【化５０】
0004538977.tif 000051
【００３０】
これらのアミン系液晶をＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間に直接インターカレートする方法としては、具体的には、例えば、
（１）アミン系液晶を加熱して等方性液体とし、その中にＨＴｉＮｂＯ5 結晶を入れる方法
（２）アミン系液晶を溶媒（例えば、水、エタノール、あるいはこれらの混合溶媒など）に溶かし、その中にＨＴｉＮｂＯ5 結晶を入れる方法
を用いることができる。
以上のように、アミン系液晶とそれに適した挿入方法を選択すれば、二段階法を用いずに無機層間に直接液晶分子を挿入することができる。
【００３１】
しかしながら、無機層状物質の層間に液晶分子を直接挿入するのが容易ではない場合がある。その場合には、二段階以上のインターカレーションを行う。例えば、まず第一段階目のインターカレーションでは、無機層状物質にインターカレーションが容易であり、かつ液晶と親和性がある有機分子を挿入する。このプロセスを経たインターカレーション化合物は、第二段階目のインターカレーションプロセスで液晶分子を挿入することが可能となる。例えば、無機層状物質としてＨＴｉＮｂＯ5 （ＫＴｉＮｂＯ5 を塩酸処理することにより得られる）を用いた場合には、アミノ基を有した有機物（例えば、ｎ−ブチルアミンなど）が第一段階目のインターカレーションで容易に挿入される。そして、このアミノ基を有した有機物が、例えばシアノビフェニル系液晶と親和性が良い場合には、第二段階目のインターカレーションで、この液晶を層間に挿入することが可能となる。
【００３２】
すなわち、ホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子を直接インターカレートすることが困難な場合には、インターカレーションを二段階以上行うことにより無機有機複合材料を製造する。具体的には、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、層に平行に配置された、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層を含む複数の有機分子層である無機有機複合材料の製造方法は、複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層以外の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第１の有機分子層、この第１の有機分子層と異なる第２の有機分子層および第１の有機分子層と同一の第３の有機分子層からなる無機有機複合材料の製造方法は、第１の有機分子層および第３の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、第２の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。
【００３３】
また、複数の有機分子層が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層とこの有機分子層を挟む、液晶性を示す有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層とを含む無機有機複合材料の製造方法は、液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第１の有機分子層、この第１の有機分子層と異なる第２の有機分子層および第１の有機分子層と同一の第３の有機分子層からなり、第２の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなり、第１の有機分子層および第３の有機分子層が液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる無機有機複合材料の製造方法は、第１の有機分子層および第３の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程と、第２の有機分子層をホスト無機層状物質の層間にインターカレートする工程とを有する。
【００３４】
ここで、第一段階のインターカレーションで挿入する、液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子の働きについて説明する。一般に、同じような官能基（例えば、アミノ基、アルキル基、アリル基、スルホン基、シアノ基、カルボニル基など）を有する化合物は良く似た性質を示し、さらにその構造が類似すればするほど、その性質が似る傾向が強い。その結果として、同じような官能基や構造を有する化合物の液体あるいは液晶同士を接触させた場合には、それらの間で容易に混合が生じる。このような状態を、それら化合物間の親和性が高い（良い）という。例えば、シアノビフェニル系液晶に対しては、シアノビフェニル基を有する有機分子群の親和性が高いと考えられる。さらに、シアノビフェニルではなくシアノ基だけであっても比較的親和性が高いと考えられる。以上より、液晶分子を無機層間にインターカレートするためには、第一段階目に以下の特徴を有する有機分子を挿入し、第二段回目以降に液晶分子を挿入すれば良いと考えられる。
（１）第二段階目以降に挿入する液晶分子と同じ官能基を有する
（２）第二段階目以降に挿入する液晶分子と構造が類似している
【００３５】
無機有機複合材料を製造する場合、典型的には、ホスト無機層状物質を所定の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間にゲスト有機物質をインターカレートし、必要に応じて、この工程を使用する有機物質の種類を変えて複数回行う。より具体的には、ホスト無機層状物質の層間に存在するゲスト有機物質が、層に平行に配置された、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層を含む複数の有機分子層である無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第１の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層以外の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第２の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に複数の有機分子層のうちの液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第１の有機分子層、この第１の有機分子層と異なる第２の有機分子層および第１の有機分子層と同一の第３の有機分子層からなる無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第１の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第１の有機分子層および第３の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第２の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第２の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。
【００３６】
また、複数の有機分子層が、液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層とこの有機分子層を挟む、液晶性を示す有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層とを含む無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第１の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる一対の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第２の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に液晶性を有する有機分子からなる少なくとも一層の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。このうち特に、複数の有機分子層が第１の有機分子層、この第１の有機分子層と異なる第２の有機分子層および第１の有機分子層と同一の第３の有機分子層からなり、第２の有機分子層が液晶性を有する有機分子からなり、第１の有機分子層および第３の有機分子層が液晶性を有する有機分子に対して親和性を有する有機分子からなる無機有機複合材料の製造方法は、ホスト無機層状物質を第１の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第１の有機分子層および第３の有機分子層をインターカレートする工程と、ホスト無機層状物質を第２の有機物質の溶液または融液と接触させて所定の温度で所定の時間保持することによりこのホスト無機層状物質の層間に第２の有機分子層をインターカレートする工程とを有する。
【００３７】
この場合、ホスト無機層状物質を有機物質の溶液または融液と接触させる時間を変化させることによりこのホスト無機層状物質の層間への有機物質の挿入量および層間隔を制御することができる。
【００３８】
特に、第１の有機物質および第２の有機物質を用いて二段階のインターカレーションを行う場合、これらの第１の有機物質および第２の有機物質は互いに同一または互いに構造が類似する官能基を有する。これらの官能基は、例えば、アミノ基、アルキル基、アニル基、スルホン基、シアノ基およびカルボニル基からなる群より選ばれた少なくとも一つの官能基である。
【００３９】
この発明において、ホスト無機層状物質の層間へのインターカレーションを行う場合、一般にその反応時間は、好適には、１時間以上、１カ月間以下とする。これは、反応時間が１時間より短いとインターカレーション反応が十分でなく、層間隔が一定にならないという不都合が起こりやすいからであり、一方、インターカレーション反応が平衡に達し、層間隔が一定になるのは、１カ月もあればよいからである。反応時間は、さらに好適には１２時間〜３日とする。この程度の反応時間で十分にインターカレーションできる場合が多い。
【００４０】
また、インターカレーションの際の温度については、好適には、例えば０℃以上２００℃以下とする。下限温度については、温度が０℃より低いと、水溶液を用いている場合には水分の凝固という不都合が起こるからである。同様に、水溶液ではなく、有機物質のみからなる液体を用いているという場合には、有機物質の凝固点以下では不都合が生じる。上限温度については、温度が２００℃より高いと、有機分子の熱分解、蒸発などの好ましくない反応が起こるためである。より好適には、温度を室温（２０℃）以上、１５０℃以下とする。これは、温度が室温（２０℃）より低いと、インターカレーション反応が速やかに進まない（遅い）という不都合が起こる一方、温度が１５０℃より高いと有機分子の熱分解や気化などの好ましくない反応が生じる可能性が高くなるためである。
【００４１】
さらに、無機有機複合材料の組成については、好適には、ホスト無機層状物質（例えば、ＨＴｉＮｂＯ5 ）１モルにつき、ゲスト有機物質の総量を０．０１モル以上１００モル以下とする。これは、ゲスト有機物質の総量が０．０１モルよりも小さいと、有機分子層による発生力が小さくなり、駆動が難しくなるという不都合が起こる一方、１００モルより大きいと無機層状物質の層間隔が拡大しすぎて形状が保てないという不都合が起こるためである。このホスト無機層状物質に対するゲスト有機物質の総量は、より好適には０．１モル以上１０モル以下とする。
【００４２】
この発明の第３の発明によるアクチュエータにおいては、上記のような無機有機複合材料の面に対して垂直方向に電場を印加することにより無機有機複合材料のホスト無機層状物質の層間隔を変化させることにより駆動を行う。このアクチュエータは、ホスト無機層状物質の面に垂直な方向に電場を印加するための電極を有し、典型的には、ホスト無機層状物質の一方の面および他方の面にそれぞれ電極が設けられている。このアクチュエータは一つの要素部（モジュールあるいはユニット）により構成されることも、所望の大きさにするための複数の要素部の組み合わせにより構成されることもある。
【００４３】
アクチュエータの形状は基本的にはどのような形状であってもよく、使用目的などに応じて設計される。具体的には、アクチュエータは、無機有機複合材料の伸縮方向を軸とする柱状（円柱状、角柱状など）または繊維状の形状を有し、好適には、電場印加によるホスト無機層状物質の層間隔変化時にその形状を保ち、あるいは液晶の漏洩を防ぐために、少なくともその側面の一部に伸縮性の物質がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、無機有機複合材料の伸縮方向を軸とする柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものからなるものであり、あるいはこの柱状または繊維状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された（あるいは束ねられた）構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
【００４４】
アクチュエータは、無機有機複合材料の伸縮方向が主面に垂直な膜状または板状の形状を有することもあり、好適には、電場印加によるホスト無機層状物質の層間隔変化時にその形状を保ち、あるいは液晶の漏洩を防ぐために、少なくともその表面の一部に伸縮性の物質がコーティングされるが、コーティングを省略してもよい。アクチュエータは、典型的には、膜状または板状の形状をする要素部が複数直列接続されたものからなるものであり、あるいはこの膜状または板状の形状を有する要素部が複数直列接続されたものが複数並列接続された（あるいは束ねられた）構造を有する。伸縮運動に支障を生じないようにするために、これらの要素部相互間は接着などにより一体的に結合される。
アクチュエータはさらに、上記のような種々の形状のものを使用目的などに応じて適宜に組み合わせることにより構成してもよい。
【００４５】
この発明による人工筋肉においては、無機有機複合材料の面に対して垂直方向に電場を印加することにより無機有機複合材料のホスト無機層状物質の層間隔を変化させることにより駆動を行う。その他のことは、この発明によるアクチュエータと同様である。この人工筋肉は、例えば拮抗筋の構成に適用することができる。この場合、人工筋肉は第１の人工筋肉および第２の人工筋肉からなり、第１の人工筋肉および第２の人工筋肉が支柱を共有して拮抗した伸縮動作を行うように構成される。
【００４６】
この発明による無機有機複合材料、アクチュエータまたは人工筋肉は、無機層状物質の層間に存在する液晶性を有する有機分子を外部電場により駆動させ、一方向、すなわち層に垂直方向の伸縮変位を可能とするものである。より具体的には、電場によって無機層状物質の層間に存在する液晶性を有する有機分子の無機層に対する角度を変化させ、それに伴う層間隔の変化をマクロ変位として取り出し、駆動するものである。このような無機有機複合材料が電場印加により駆動される際には、ナノメートルレベルの層間隔の変化が結晶の厚み方向（ｃ軸方向）のみに反映されるので、伸縮の自由度は一方向にしかなく、エネルギー効率が高くなるという利点を有する。
【００４７】
さらに、この無機有機複合材料は層間に存在する液晶性を有する有機分子のために柔軟な構造を有している。従来の無機物を用いた電歪アクチュエータは、伸縮する部位がセラミックスでできているため、柔軟性はほとんどなく、しかも変位は小さい。従って、無機層状物質をマトリックスとしながら、柔軟な性質をも有していることは、この発明によるアクチュエータの大きな利点である。
【００４８】
このようにこの発明によるアクチュエータは、従来のアクチュエータを凌ぐ特性を有するものである。特に、従来の液晶アクチュエータとの比較においては、無機物を骨格としているので強度耐久性に優れ、また層状構造を有するので、その異方性を利用することにより応答速度やエネルギー変換効率が向上する。さらに、従来の無機アクチュエータとの比較においては、柔軟性を有しており、かつ大きな変位が得られるという特徴を有する。
【００４９】
この発明による無機有機複合材料の駆動メカニズムを図１を参照してより詳細に説明する。図１は層状無機物質の層状無機骨格の層間に液晶を保持したこの発明による無機有機複合材料（インターカレーション化合物）の、電圧を印加する前後における構造を示す模式図である。
【００５０】
無機層状物質に有機物のインターカレーションを行うと、一般的に有機分子は無機層に対してある角度で配向した状態で層間に存在している。これが電圧を印加していない状態で図１Ａに相当する。液晶分子が層間にインターカレートされている場合、電圧印加により液晶層は協同的に分子の向きを電場に対して揃えようとする。液晶分子の誘電率異方性が正の場合には、図１Ｂに示すように、液晶分子は長軸方向が電場の向きと平行になるように配向し、このとき層間隔は増大する。一方、液晶分子の誘電率異方性が負の場合には、図１Ｃに示すように、液晶分子は長軸方向が電場の向きと垂直に近づくように配向し、このとき層間隔は縮小する。
【００５１】
この層間隔の変化はナノメートルレベルの微小なものであるが、この変位はもとの層間隔の数〜数十％にも達し、無機有機複合材料の結晶全体を観察すると、そのｃ軸方向（厚み方向）に巨大な変位が生じることになる。無機物を用いたアクチュエータとしては、すでに述べたようにＰＺＴなどの電歪素子があるが、その変位量は０．１％程度であり、この発明による無機有機複合材料を用いたアクチュエータではそれを遥かに上回る変位が得られる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００５３】
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。この第１の実施形態においては、無機層状物質としてのＫＴｉＮｂＯ5 の層間に液晶をインターカレートした無機有機複合材料およびその製造方法ならびにこの無機有機複合材料への電圧印加時の変位について説明する。
【００５４】
図２に、電圧無印加時におけるこの無機有機複合材料の構造を示す。図２に示すように、この無機有機複合材料は、無機層状物質としてのＫＴｉＮｂＯ5 の無機層１１、１２間に、有機分子層としてのブチルアミン層１３、１４を介して、液晶性を示す分子層としての５ＣＢ層１５、１６が挿入された構造を有する。ここで、ブチルアミン層１３、１４および５ＣＢ層１５、１６は、無機層１１、１２間の空間の二等分面に関して鏡像の関係にある分子配向性を有している。ブチルアミン層１３、１４はそのＮＨ3 + 側がそれぞれ無機層１２、１３に結合している。そして、５ＣＢ層１５、１６はそれらのＣＮ基が互いに向き合うように配向している。
【００５５】
次に、この無機有機複合材料の製造方法について説明する。
この無機有機複合材料は、ＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製、このＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の処理によるＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製およびこのＨＴｉＮｂＯ5 単結晶に対する二段階のインターカレーションの工程を経て製造される。以下これらの工程について詳細に説明する。
【００５６】
ＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製
まず、ＫＴｉＮｂＯ5 粉末を白金るつぼに入れ、この白金るつぼを大気中において１４００℃で５時間保持した後、１１５０℃まで１０℃／ｈの冷却速度で徐冷し、さらに室温まで冷却して成型体を得る。次に、この成型体の焼成を行う。焼成方法としては、成型体を容積が２０ｍｌの白金るつぼに入れ、さらにこの白金るつぼを一回り大きいアルミナるつぼに入れて、アルミナ製の蓋で密閉する二重るつぼの方法を採用した。この焼成により得られた溶融凝固体を白金るつぼから取り出し、きれいな透明性の単結晶片を選び出した。ＫＴｉＮｂＯ5 結晶の形状は、結晶構造の異方性を反映して板状となっているものが一般的であり、機械的操作により単結晶を取り出すと最大（２〜３）ｍｍ×（２〜３）ｍｍ×（１〜２）ｍｍ程度の大きさのものが得られる。ＫＴｉＮｂＯ5 の結晶構造を図３に示す。
【００５７】
このＫＴｉＮｂＯ5 単結晶のＸ線回折パターンを図４に示す。図４より、（００１）の回折ピークのみが見られ、試料測定面がｃ面となっていることがわかる。同図の（００２）回折ピークから計算される面間隔は０．９００ｎｍ（９．００Å）であった。ＥＤＸによりこのＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の組成の定量分析をしたところ、金属組成比はＫ：Ｔｉ：Ｎｂ＝０．９７：１：０．９８であった。
【００５８】
ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製（ＫＴｉＮｂＯ5 →ＨＴｉＮｂＯ5 ）
上述のようにして得られたＫＴｉＮｂＯ5 単結晶を、室温で１規定のＨＣｌ中に入れ、２週間静置した。この処理によりＫＴｉＮｂＯ5 単結晶中のＫイオンがＨイオンに交換され、ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶が得られた。結晶の形状は、イオン交換前のＫＴｉＮｂＯ5 と殆ど変化はない。ＨＴｉＮｂＯ5 の結晶構造を図５に示す。
【００５９】
このＨＴｉＮｂＯ5 単結晶のＸ線回折パターンを図６に示す。同図の（００２）回折ピークから計算した面間隔はｄ＝０．８４８ｎｍ（８．４８Å）であり、ＫＴｉＮｂＯ5 より少し小さい値となっている。ＥＤＸによるこのＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の組成の定量分析をした結果、金属組成比はＫ：Ｔｉ：Ｎｂ＝０．０３：１：０．９８であり、Ｋ成分がほとんど脱離していることがわかった。従って、このＨＴｉＮｂＯ5 単結晶は、ＫＴｉＮｂＯ5 の結晶構造をほぼ保ったまま、Ｋ→Ｈイオン交換が起こってできたＨＴｉＮｂＯ5 単結晶であると考えられる。
【００６０】
第一段階インターカレーション：ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製
上述のようにして得られたＨＴｉＮｂＯ5 単結晶へｎ−ブチルアミン（n-Butylamine）のインターカレーションを行う。このインターカレーションは、溶媒に純水を用いて１ｍｏｌ／ｌのアミン溶液を作製し、ＨＴｉＮｂＯ5 に対してアミンのモル比が大幅に過剰になるようにして、室温にて３日間反応させることにより行った。この操作によって、ｎ−ブチルアミンがＨＴｉＮｂＯ5 の層間に挿入されたインターカレーション化合物（以下「ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 」と呼ぶ）の結晶が得られた。このブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶のＸ線回折パターンを図７に示す。図７より、（００１）に由来する回折ピークのみが見られ、（００２）回折ピークから計算される面間隔はｄ＝１．８２１ｎｍ（１８．２１Å）であった。このブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の面間隔はＨＴｉＮｂＯ5 のそれに比較して約０．９７３ｎｍ（９．７３Å）拡大しており、これはブチルアミンが層間に挿入されたことを示している。無機層間に存在するブチルアミンの傾斜角度を図８を参照して見積もると、ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間隔ｄ1 ＝０．８４８ｎｍ（８．４８Å）、ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間隔ｄ＝１．８２１ｎｍ（１８．２１Å）、ｎ−ブチルアミンの分子長ａ＝０．６１６ｎｍ（６．１６Å）、Δｄ＝ｄ−ｄ1 ＝０．９７３ｎｍ（９．７３Å）であるから、傾斜角度θ＝ａｒｃｓｉｎ（Δｄ／２ａ）＝ａｒｃｓｉｎ（０．９７３／２×０．６１６）＝５２°と見積もられる。
【００６１】
次に、このブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の組成を明らかにするために、酸素循環ＴＣＤ法による窒素の定量分析を行った。ブチルアミン１分子中には窒素原子が１個存在するので、窒素の定量分析を行うことにより、有機分子を含めたインターカレーション化合物の組成を決定することができる。測定結果より得られた組成式は
（ブチルアミン） 0.56 ＨＴｉＮｂＯ5
であった。
【００６２】
第二段階インターカレーション：５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製
上述のようにして第一段階インターカレーションを行うことにより得られたブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶に第二段階インターカレーションを行う。挿入物質は室温ネマティック液晶５ＣＢ（4-aminobutoxy cyanobiphenyl ：Ｃ5 Ｈ11（Ｃ6 Ｈ4 ）2 ＣＮ）であり、この物質は２２℃〜３５℃の範囲でネマティック相となるものである。まず、ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶数個をガラス製サンプル管の中に入れ、このサンプル管の中にそれらを浸すのに十分な量の５ＣＢ（メルク社製、型番Ｋ−１５）を注いだ。その後、密閉したサンプル管をオーブンに入れ、１３０℃で１２時間〜６０時間の熱処理を行った。
【００６３】
ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶を５ＣＢとともに、１３０℃で２４時間熱処理した試料（以下「５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 」と呼ぶ）のＸ線回折パターンを図９に示す。図９より、（００１）に由来する回折ピークのみが見られ、（００２）回折ピークから計算される層間隔はｄ＝３．９９４ｎｍ（３９．９４Å）であった。これはブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 に比較して約２．１７３ｎｍ（２１．７３Å）と大きく拡大しており、５ＣＢが層間に挿入されたと考えることができる。この層間隔の変化は、５ＣＢの分子長１．６３９ｎｍ（１６．３９Å）（ＭＯＰＡＣによる計算値）よりも十分大きく、第一段階のインターカレーションで層間に層入したブチルアミンの無機層に対する傾斜角度が不変であるとすると、層間に５ＣＢは２分子層以上挿入されていることになる。ブチルアミンの傾斜角度が不変かつ５ＣＢが２分子層存在すると仮定し、５ＣＢの傾斜角度を図１０を参照して見積もると、ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の層間隔ｄ1 ＝１．８２１ｎｍ（１８．２１Å）、５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間隔ｄ＝３．９９４ｎｍ（３９．９４Å）（熱処理条件１３０℃、２４時間の場合）、５ＣＢの分子長ａ＝１．６３９ｎｍ（１６．３９Å）、Δｄ＝ｄ−ｄ1 ＝２．１７３ｎｍ（２１．７３Å）であるから、傾斜角度θ＝ａｒｃｓｉｎ（Δｄ／２ａ）＝ａｒｃｓｉｎ（２．１７３／２×１．６３９）＝４２°と見積もられる。
【００６４】
図１１に、ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 の層間に５ＣＢを挿入する際の反応時間と層間隔との関係を示す。ただし、反応温度は１３０℃とした。図１１より、層間隔は反応時間の増加に伴って増加しており、このことから、熱処理時間が増加するにつれて５ＣＢは層間に多量に挿入され、層間隔が拡大することがわかる。
【００６５】
ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 に５ＣＢが挿入されたことをさらに確認するために赤外（ＩＲ）測定を行った。図１２に、５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶（熱処理条件１３０℃、２４時間）のＩＲスペクトルを示す。この系においては、５ＣＢが挿入されたことを確認することは容易である。これは、５ＣＢには２２００ｃｍ-1付近のシアノ基（Ｃ≡Ｎ）の伸縮振動に由来する明瞭なピークがあるが、ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 にはこれがないからである。図１２には明らかにシアノ基に由来するピークが存在しているので、５ＣＢが挿入されていることがわかる。
【００６６】
次に、この５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶に電場印加を行った場合の変位について考察する。５ＣＢは正の誘電異方性を有する液晶であるので、電場を印加すると、分子の長軸が電場ベクトルに対して平行となるように配向する。電場を印加しない初期状態で無機層に対する５ＣＢ分子の傾斜角度が４２°の場合には、電場印加により傾斜角度が９０°へと変化すると、層間隔の増加は２．２ｎｍ（２２Å）となる。従って、この結晶では電場印加前に比べｃ軸方向に最大５４％もの極めて大きい伸張が得られることになる。
【００６７】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、第１の実施形態においてゲスト有機物質として用いたｎ−ブチルアミンの代わりに４−アミノブトキシ−４’−シアノビフェニル（4-aminobutoxy-4 ’-cyanobiphenyl）（以下「ＡＢＣＢ」と呼ぶ）を用いる。
【００６８】
この第２の実施形態による無機有機複合材料の電圧無印加時における構造は、図２におけるブチルアミン層をＡＢＣＢ層で置き換えたものに相当する。
【００６９】
次に、この無機有機複合材料の製造方法について説明する。
この無機有機複合材料は、ＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製、ＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の処理によるＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製およびＨＴｉＮｂＯ5 単結晶に対する二段階のインターカレーションの工程を経て製造されるが、ＫＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製からＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製までの工程は第１の実施形態と同様であるので説明を省略し、ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶に対する二段階のインターカレーションの工程についてのみ説明する。
【００７０】
第一段階インターカレーション：ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製
第一段階インターカレーションで用いるＡＢＣＢの合成は、Kawasumiら（Mol.Cryst.Liq.Cryst., 281 (1996) 91.）によって報告されている手法を参考に行った。得られたＡＢＣＢを水／エタノール混合溶媒（Ｈ2 Ｏ：Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ＝１：１）に溶かし、０．１ｍｏｌ／ｌのＡＢＣＢ溶液を作製した。この溶液をサンプル管に入れ、これにＡＢＣＢ：ＨＴｉＮｂＯ5 ＝１０：１となるようＨＴｉＮｂＯ結晶を入れた。各結晶の大きさは１〜２ｍｍ角で、厚さは０．１〜０．５ｍｍ程度であった。上記サンプル管を密閉し、オーブンの中に入れ、７０℃で１２時間の熱処理を行った。
【００７１】
この操作によって、ＡＢＣＢがＨＴｉＮｂＯ5 の層間に挿入されたインターカレーション化合物（以下「ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 」と呼ぶ）の結晶が得られた。このＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶のＸ線回折パターンを図１３に示す。図１３に示すように、（００１）に由来する回折ピークが見られ、（００２）回折ピークから計算される面間隔はｄ＝３．２９３ｎｍ（３２．９３Å）であった。これはＨＴｉＮｂＯ5 のそれに比較して２．４４５ｎｍ（２４．４５Å）拡大しており、ＡＢＣＢが層間に挿入されたと考えることができる。層間に挿入されたＡＢＣＢ分子が無機層間で、2 分子層を形成していると仮定すると、ＡＢＣＢの分子長が１．６８２ｎｍ（１６．８２Å）（ＭＯＰＡＣによる計算値）であることから、その無機層に対する傾斜角度はａｒｃｓｉｎ-1（２．４４５／（２×１．６８２））＝４７°と見積もられる。
【００７２】
次に、ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 の組成を明らかにするために窒素の定量分析を行った。その結果得られた組成式は
（ＡＢＣＢ）0.62ＨＴｉＮｂＯ5
であった。
【００７３】
第二段階インターカレーション：５ＣＢ−ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶の作製
第一段階インターカレーションを行ったＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶に第二段階インターカレーションを行った。挿入物質は、第一の実施形態で用いたものと同じ室温ネマティック液晶５ＣＢである。
【００７４】
ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶を５ＣＢとともに、１３０℃で１２時間熱処理した試料（以下「５ＣＢ−ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 」と呼ぶ）のＸ線回折パターンを図１４に示す。同図のＸ線回折パターンからは（００１）の回折ピークが見られ、（００２）回折ピークから計算される層間隔はｄ＝３．８５５ｎｍ（３８．５５Å）であった。これは、ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 に比較して約０．５６２ｎｍ（５．６２Å）拡大しており、５ＣＢが層間に挿入されたと考えることができる。層間隔の変化は５ＣＢの分子長（１．６３９ｎｍ（１６．３９Å））よりもかなり小さいので、挿入されている５ＣＢは１分子層を形成していることが予想される。層間の５ＣＢが１分子層を成し、かつＡＢＣＢの傾斜角度が不変であると仮定すると、第二段階目のインターカレーションプロセスにより層間に挿入された５ＣＢの傾斜角度はａｒｃｓｉｎ-1（０．５６２／１．６３９）＝２０°と見積もられる。
【００７５】
図１５に、ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 の層間に５ＣＢを挿入する際の反応時間と層間隔との関係を示す。図１５より、層間隔は反応時間に依存して増加する傾向を示しており、このことから、反応時間が増加するにつれて５ＣＢは層間に多量に挿入され、層間隔が拡大することがわかる。
次に、この５ＣＢ−ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 単結晶に電場印加を行った場合の変位について考察する。層間に５ＣＢが1 分子層入っており、電場を印加しない初期状態で無機層に対する５ＣＢ分子の傾斜角度が２０°と仮定した場合には、電場印加により傾斜角度が９０°へと変化すると層間隔の増加は１．０７７ｎｍ（１０．７７Å）となり、２８％の伸びが得られる。
【００７６】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態においては、この発明による無機有機複合材料（インターカレーション化合物）を用いたアクチュエータについて説明する。
【００７７】
図１６は、この第３の実施形態によるアクチュエータの基本ユニットを示す。
このアクチュエータで使用する無機有機複合材料（インターカレーション化合物）は、第１の実施形態または第２の実施形態のものでもよいし、５ＣＢ以外の液晶分子やＨＴｉＮｂＯ5 以外の無機層状物質を用いたものでもよく、必要に応じて選ばれる。このアクチュエータにおいては、円柱、直方体などの柱状の無機有機複合材料２１の上下両面に電極２２、２３が設けられ、これらの電極２２、２３からそれぞれリード線２４、２５が取り出されている。無機有機複合材料２１は、大きな変位を効率的に得ることができるように、好適にはｃ軸方向に高度に配向したバルク結晶や薄膜あるいは厚膜の形状を有しており、より具体的には単結晶、高ｃ軸配向多結晶体、高ｃ軸配向薄膜などである。無機有機複合材料２１および電極２２、２３の外周面は、無機有機複合材料２１の無機層間に存在する液晶分子の漏洩や無機有機複合材料２１の伸縮に伴う無機層の剥離などを防止するとともに、形状を保持する目的で、有機高分子によるコーティング２６が施されている。この有機高分子によるコーティング２６の材料は、耐久性に優れ、無機有機複合材料の駆動時に負担とならないように伸縮性、柔軟性を有しているものであれば、基本的にはどのようなものであってもよいが、具体的には、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴムなどが用いられる。
【００７８】
図１７はこの発明の第４の実施形態による積層アクチュエータを示す。図１７に示すように、この積層アクチュエータは、十分な変位が得られるように、図１６に示すアクチュエータの基本ユニットを、その伸縮方向であるｃ軸方向に複数積層したものである。ここでは、複数のアクチュエータをその伸縮方向に積層していることが重要であって、積層アクチュエータの全体形状は、例えば直方体、円柱などの任意の形状であってよい。図１７では基本ユニットの数が４の場合が示されているが、基本ユニットの数は必要に応じて選択される。各ユニットのアクチュエータには、リード線２４、２５を通じて外部から電圧が印加される。
【００７９】
図１８はこの発明の第５の実施形態による繊維状アクチュエータを示す。図１８に示すように、この繊維状アクチュエータは、図１７に示す積層アクチュエータの段数を十分に多くして全体として繊維状の形態としたものを基本とし、それらを並列に複数本束ねたものである。
【００８０】
この第５の実施形態によれば、繊維状の積層アクチュエータを複数本並列に束ねてアクチュエータを構成していることにより、アクチュエータの発生力および強度を飛躍的に増すことができる。また、このアクチュエータの一本一本の繊維は柔軟であり、電圧印加により協同的に駆動するので、生物の筋肉を模倣したアクチュエータとして好適なものとなる。
【００８１】
以上の第３、第４および第５の実施形態によれば、柔軟性、高速応答性、大変位といった特徴を併せ持つ高性能のアクチュエータが実現され、これは例えばロボティクス、医療などの分野に好適に利用することができる。
ここで、これらの第３、第４および第５の実施形態によるアクチュエータを、特開平０５−１１０１５３号公報および特開平０６−１２５１２０号公報に開示された変位素子と比較すると、次のような多くの利点を有する。
（１）上記公報に開示された素子は全固体型であるが、第３、第４および第５の実施形態によるアクチュエータは無機層状物質の層間に液晶が挿入されているので全固体ではない。ここが最大の相違点である。液晶との複合化は素子に柔軟性を与えるので、生体筋のような柔軟な特性を必要とする人工素子が得られる。これは近年発展してきた自律型ロボットの開発において大きな利点となるものである。
（２）上記公報に開示された素子では、その実施例においてインターカレーション反応を一段階しか行っていない。一方、第３、第４および第５の実施形態によるアクチュエータでは、それを構成する無機有機複合材料の製造に際して二段階以上のインターカレーションを行っている。この方法によれば、大部分の液晶分子を挿入することができる、液晶分子の挿入量が挿入温度や時間により容易に制御できる、などの利点を得ることができる。
（３）上記公報に開示された素子では、その実施例においてインターカレーション物質の粉末を用いているが、これではインターカレーション物質に特有な異方性を十分に生かすことはできない。一方、第３、第４および第５の実施形態によるアクチュエータでは、変位を得るのに最適なマトリックスである単結晶を用いている。
【００８２】
図１９はこの発明の第６の実施形態による駆動システムを示す。この駆動システムは人工拮抗筋の駆動システムである。
図１９に示すように、この駆動システムは、二つの人工筋肉６１、６２を組み合わせたものである。これらの人工筋肉６１、６２としては、例えば、第５の実施形態と同様なアクチュエータを用いることができる。人工筋肉６１は容器６３内に収納されており、人工筋肉６１の両端の伝達棒６４は容器６３の外部に引き出されている。同様に、人工筋肉６２は容器６５内に収納されており、人工筋肉６２の両端の伝達棒６６は容器６５の外部に引き出されている。人工筋肉６１、６２の一端の伝達棒６４、６６は支柱６７と接続されている。同様に、人工筋肉６１、６２の他端の伝達棒６４、６６は支柱６８と接続されている。これらの支柱６７、６８は関節６９を介して相互に結合されており、この関節６９を中心として回転することができるようになっている。
【００８３】
この第６の実施形態においては、生物の骨に当たる支柱６７、６８に対して人工筋肉６１、６２が拮抗した動作を行う。すなわち、人工筋肉６１、６２の協調動作により、拮抗筋と類似の動作を行うことができる。例えば、人工筋肉６１、６２の電圧無印加時の長さがいずれもＬで等しく、それらを構成する各アクチュエータの電極間に電圧Ｖ1 を印加したときの伸長量がΔＬである場合、例えば人工筋肉６１、６２の長さがＬ＋ΔＬ／２のときを基準にすると、図１９に示した状態では、人工筋肉６１は収縮しているのに対し、人工筋肉６２はこれと逆に伸長している。この場合、人工筋肉６１を構成する各アクチュエータの電極間に印加されている電圧Ｖ2 は０＜Ｖ2 ＜Ｖ1 であり、人工筋肉６２を構成する各アクチュエータの電極間に印加されている電圧Ｖ3 はＶ1 ＜Ｖ3 である。
【００８４】
この第５の実施形態によれば、第３、第４または第５の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、二つの人工筋肉６１、６２を組み合わせて拮抗筋を構成しているので、人工筋肉を単独で駆動させるよりもバランスの取れた動きが可能となるという利点を得ることができる。
【００８５】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００８６】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、プロセスなどはあくまでも例にすぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、プロセスなどを用いてもよい。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ホスト無機層状物質とこのホスト無機層状物質の層間に存在する少なくとも一種類以上のゲスト有機物質とからなる無機有機複合材料において、少なくとも一種類のゲスト有機物質が液晶性を有する有機分子を含むことにより、強靭性、柔軟性、得られる変位の大きさ、応答速度、変位を取り出す際のエネルギー効率などの諸点で満足し得る性能を有する無機有機複合材料、アクチュエータおよび人工筋肉を実現することができる。そして、これらの無機有機複合材料、アクチュエータおよび人工筋肉をインターカレーションの手法により容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無機層状物質の層間に液晶を挿入したこの発明による無機有機複合材料の電圧印加による駆動メカニズムを説明するための略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による無機有機複合材料の結晶構造を示す略線図である。
【図３】ＫＴｉＮｂＯ5 の結晶構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態において作製されたＫＴｉＮｂＯ5 結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図５】ＨＴｉＮｂＯ5 の結晶構造を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態において作製されたＨＴｉＮｂＯ5 結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図７】この発明の第１の実施形態において作製されたブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態において作製されたブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間におけるブチルアミンの傾斜角度を見積もるための略線図である。
【図９】この発明の第１の実施形態において作製された５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態において作製された５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間における５ＣＢの傾斜角度を見積もるための略線図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態において作製された５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間隔と反応時間との関係を示す略線図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態において作製された５ＣＢ−ブチルアミン−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の赤外スペクトルを示す略線図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態において作製されたＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図１４】この発明の第２の実施形態において作製された５ＣＢ−ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶のＸ線回折パターンを示す略線図である。
【図１５】この発明の第２の実施形態において作製された５ＣＢ−ＡＢＣＢ−ＨＴｉＮｂＯ5 結晶の層間隔と反応時間との関係を示す略線図である。
【図１６】この発明の第３の実施形態によるアクチュエータを示す断面図である。
【図１７】この発明の第４の実施形態による積層アクチュエータを示す断面図である。
【図１８】この発明の第５の実施形態による繊維状アクチュエータを示す略線図である。
【図１９】この発明の第６の実施形態による駆動システムを示す断面図である。
【符号の説明】
１１、１２・・・無機層、１３、１４・・・ブチルアミン層、１５、１６・・・５ＣＢ層、２１・・・無機有機複合材料、２２、２３・・・電極、２４、２５・・・リード線、２６・・・有機高分子によるコーティング、６１、６２・・・人工筋肉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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