九州シンクロトロン光研究センター課 題 番 号 ： 090878N（様式第４号）

液晶エラストマーの構造解析
Structure Analyses of Liquid Crystal Elastomers
岡部弘高

Hirotaka Okabe
九州大学大学院工学研究院エネルギー量子工学部門
Department of Applied Qua ntum Physics and Nuclear Engineering, Faculty of Engineering,
Kyushu University
１．概要
液 晶 エ ラ ス ト マ ー (Liquid Crystal Elastomer)は 高 分 子 液 晶 を 架 橋 し た も の で 、異 方 的性質とゴム弾性を併せ持 っている。電圧印加により形状変形を引き起こすので、アクチュエータとして期待されている。電界応答性がよい シアノ基を持つ液晶分子からなる液晶エラストマーを作成し、その特性を調べている。今回の実験で、シアノ基の濃度が高くなるほど室温でスメクチック相の層構造に乱れが誘発されていることが 分かった。
（ English ）The liquid crystal elastomer (LCE) is one of the electric -field responsi ve polymers, a nd
expected to a pply to artificial muscles and soft actuators. In this study, we introduce a cya nogroup to the mesogenic unit to control the electric properties and structure of LCE , andinvestigate their phase transition behaviors in some cya no group concentrations andcross-linking densities. From SAXS profiles, we found that the disorder of the layers is induce dby the dipole interaction between the cyano groups.

２．背景と研究目的：
液晶エラストマーは高分子網目に液晶分子を組み込んだゴム状のもので、液晶分子の方向を揃えて合成する方法が開発されてから注目を集めている。我々は電界応答性がよいと考えられるシアノ基を導入した液晶エラストマーを新たに合成し、その特性解析を行っている。

AB
図 1．X 線散乱パターンの一例：A の三日月状のパターン
はスメクチック相の層厚に対応し、B は液晶分子間に対応する。

これまでの X 線散乱実験で、スメクチック相の層厚は液晶分子に占めるシアノ基型が 50%では一般の液晶と同じく温度の上昇とともに厚くなるのに対し、70%と 100％では薄くなることが分かった。
本課題ではさらに他の組成の試料で層厚の温度変化がどのようになるかを調べる。同時に層の乱れを半値半幅の変化から調べ、層構造の変化の様相について明らかにする。
３．実験内容：測定は 、BL15の小角X線散乱装置を用いた。
X線のエネルギーは8keVで、イメージングプレートまでのカメラ長は200mmである。試料部の温度をコントロールして散乱プロファイルの温度変化を測定した。
試料はシアノ基型液晶分子の割合が100％で架橋剤濃度4％と5%の液晶エラストマーである。今回の試料はいずれも液晶分子に占めるシアノ基型の割合が100%で、架橋剤濃度が前回試料の7%に比べて5%、4%と尐なくなっている。架橋剤は液晶分子に入れ替わるようにエラストマーに入るので、同じシアノ基型100%でも架橋剤の濃度が小さいほど、エラストマー中でのシアノ基型液晶分子の濃度は大きくなった。
４．結果、および、考察：
以下で述べるのは図 1 の A で示した層に対応した散乱パターンに関してである。
各試料での層厚の温度変化を図 2 に示す。今回測定した試料はいずれも温度の上昇に伴って層厚は減尐した。この図から、温度上昇に対して通常の液晶と同じように層厚が増えるのはシアノ基型液晶分子が 50％のときだけであり、今回の分を含めてシアノ基型液晶分子の濃度が大きくなるほど層厚の減尐が顕著になる傾向が見られた。
29CN10-4CN10-7CN7-7CN5-7CN10-52827d (A)５．今後の課題：
これまでの結果から通常の液晶とは異なる液晶エラストマーの特性が明らかになりつつある。
応用への展開を進めるためにもこのような基礎的知見についてさらなる蓄積が必要であり、力学特性との対応も調べる必要がある。

26252420406080100T (oC)

図 2．各試料スメクチック相層厚の温度変化：図中記号
CNXX-?は XX がシアノ基型液晶分子の割合(×10%)、?が架橋剤濃度を表す。
40CN10-4CN10-7CN7-7CN5-7CN10-535

HWHM (deg)

次に、図 3 は散乱プロファイルの方位角プロファイルの半値半幅を示したものである。この図か
ら、通常の液晶と同じように、温度上昇に伴って液晶分子の運動が激しくなり、層構造に乱れが現れ、半値半幅が大きくなるのはシアノ基型液晶分子の割合が 50%のものだけであり、それ以上のシアノ基濃度では一端半値半幅が減尐し、極小になった後に増加するという変化を示している。半値半幅が極小となる温度はシアノ基型の濃度が大きいほど高くなる傾向がある。
以上のように、スメクチック相の層構造はシアノ基型液晶分子が多くなるほど室温では乱れた構造をしており、温度上昇で層構造の乱れが小さくなる。このとから、シアノ基の双極子モーメントの相互作用が乱れを誘発しており、温度上昇で分子運動が激しくなるにしたがって双極子相互作用より液晶分子の弾性が効いて層構造の乱れが小さくなるのではないかと推測される。

302520151020406080100oT ( C)

図 3．スメクチック相の層による散乱の方位角プロファ
イルの半値半幅の温度変化

６．論文発表状況・特許状況
これまでの結果を含んだ論文を欧文誌に投稿準備中である。
７．参考文献1. Liquid Crystal Elastomers (International Series ofMonographs on Physics), Mark Warner, Eugene
Michael Terentjev, Oxford University Press, USA
2. Multifunctional liquid crystal elastomers: Largeelectromechanical and electro-optical effects, S.
Hashimoto, Y. Yusuf, S. Krause, H. Finkelmann,P. E. Cladis, H. R. Brand, S. Kai, Appl. Phys. Lett.
92, 181902 2008
3. Trifunctionally Cross-Linked Liquid Single
Crystal Elastomers: Swelling Dynamics andElectromechanical Effects, D. U. Cho, Y. Yusuf, P.
E. Cladis, H. R. Brand, H. Finkelmann, S. Kai,
Jpn. J. Appl. Phys., 46, pp.1106-1113, 2007
4. Temperature Dependence of ElectromechanicalEffects in a Swollen Polydomain Liquid
Crystalline Elastomer, J. H. Huh, J. Xin, Y. Yusuf,
S. Kai, J. Phys. Soc. Jpn., 74 pp.242-245, 2005
８．キーワード・液晶エラストマー
高分子液晶を架橋したもので、電圧印加で液晶分子の配向変化が起き変形するので、アクチュエータとして期待されている。