研究紹介

丸文学術賞 受賞者

有機/金属ハイブリッドポリマー材料の開発とエレクトロニクス応用
カラー電子ペーパーやスマートウインドウなどの表示デバイスにおける新しい材料として

樋口 昌芳
独立行政法人物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
独立研究者

研究の背景

属イオンとの相互作用によって、有機ポリトしポリマーフィルムを作成後、電解質を含マーでは実現不可能だった電子・光・磁気むアセトニトリル溶液中に浸し、ポリマー内約90年前、シュタウディンガー（1953年物性の発現が期待される。受賞者は、有の金属イオンの酸化電位より高い電圧をノーベル化学賞受賞）
により初めてその存機モジュールと金属イオンが交互に数珠印加すると、金属イオンが酸化され電荷移在が提唱された有機ポリマー（有機高分（じゅず）
つなぎで連結した有機/金属ハイ動吸収が消失することによって、このポリ子）
は、強固な共有結合でポリマー鎖が形ブリッドポリマーの研究を推し進めた結果マーフィルムが透明に変化することを見出成されており、プラスチックやゴムなどとして【5】、優れたエレクトロクロミック現象（電気した（エレクトロクロミック機能）（ 図2）。続

今日の生活に欠かせない物質群となって化学的酸化還元により色が変わる現象）

いてこのポリマーフィルムに還元電圧を印いる。一方、受賞者は、有機ポリマーとは異それを用いた固体表示デバを発見し【6, 7】、加すると、金属イオンは還元されポリマーなる物質群として、金属イオンと有機分子イスへの応用に成功した【8】。

フィルムは元の色に戻る。

が配位結合により複合化（ハイブリッド化）した「有機/金属ハイブリッドポリマー」の研研究の成果究を行ってきた【1-4】。ハイブリッドポリマー
では、その有機部位（有機モジュール）と金

3. 特徴：
自在な色調制御と高い繰り返し安定性

1. 有機/金属ハイブリッドポリマーの開発

π共役有機ポリマーなど、これまでにもエKröhnke反応やSuzuki/Miyauraカッレクトロクロミック物質は多数報告されてプリング反応を利用して、ビス（ターピリジいるが、それらの実用例は数えるほどしかなン）を基本骨格とした様々な誘導体（有機い。無機物質の場合はカラーバリエーショモジュール）の新規合成法の開拓に成功しンに乏しく、有機物の場合は、物質の低いた。鉄やコバルト、ルテニウムといった金属安定性が欠点となっている。一方、有機/イオンと錯形成させることで、有機モジュー

金属ハイブリッドポリマーの場合、以下のルと金属イオンが交互に数珠つなぎになっように、無機物質と有機物質の長所を兼た種々の有機/金属ハイブリッドポリマーね備えていることを見出した。

（MLn-MEPE）を開発した（図1）。錯形成

色の調節：発色は金属イオンから有機モに基づく自己集合により形成するハイブジュールへの電荷移動吸収に基づいていリッドポリマーでは、有機モジュールと金属るため、色はそれらのポテンシャルギャップイオンの様々な組み合わせにより、簡便にによって決まる。そのため、金属イオンの種多彩なポリマーを合成できる特徴がある。

類や有機モジュールに電子供与基や吸引基を導入することで、色調の自在制御に成2. エレクトロクロミック現象の発見

図1 有機/金属ハイブリッドポリマーの構造功した。

得られた有機/金属ハイブリッドポリマー

高い安定性：従来の有機エレクトロクロは、金属イオンから有機モジュールへの電ミック物質では、色変化は物質の構造変荷移動（ＭＬＣＴ）吸収に基づき呈色した。

化によるものであるため、色変化を繰り返

また、これらポリマーは主鎖に金属イオンをす間に劣化しやすい。一方、ハイブリッドポ多数含むために電気活性である。興味深

リマーでは有機部位の構造変化がないたいことに、透明導電性膜（ＩＴＯ）を蒸着させめに高い繰り返し安定性を有していることたガラス上にハイブリッドポリマーをキャスを見出した。

4. 特異な高分子物性と単層マルチカラーエレクトロクロミック機能

5. 電子ペーパーの大型化・マルチカラー化

従来の有機ポリマーと異なり、ハイブリッ得られた有機/金属ハイブリッドポリマー

ドポリマーでは、配位結合によりポリマーを表示材料として用い、１０インチサイズの鎖が形成されているために、溶液中では平固体表示デバイス（図3）や、印加電圧を衡状態にあり、ポリマー濃度によってポリ変えるだけで5つのパターンが表示できる

マーの長さ（重合度）が可逆に変化するとマルチカラー表示デバイス、デジタル表示いうユニークな特徴を有している。また、ポデバイスの作製に成功した。ハイブリッド

リマー合成時に複数の金属イオン種を用ポリマーを用いた本デバイスは、大型化しいることで、ポリマー主鎖内に複数の金属ても応答速度にほとんど変化はなく、また、イオン種を導入できる。2種類の金属イオデバイスの厚さを変えずに多色化することンが導入されたポリマーのフィルムでは、電ができる。

図3 有機/金属ハイブリッドポリマーを用いた固体表示デバイス

圧を変えることにより、3種類の色を表示させることに成功した（マルチカラーエレクト

将来展望ロクロミック機能）。
エレクトロニクスの革新的進歩のために、シリコンに代わる新しいナノ材料の出
図2 a）
エレクトロクロミック変化と、b）
印加電圧を変えた時の可視吸収スペクトル変化

現が熱望されている。受賞者は、エレクトロニクス材料として、これまで研究例が少なかった「有機/金属ハイブリッドポリマー」を表示材料として大胆に導入し、基礎研究と実用化研究の両面で極めて優れた成果を挙げた。本成果は、ハイブリッドポリマーの基 礎 物 性に対して有 用な知 見を与えただけでなく、電子ペーパー等の省エネルギー型次世代ディスプレイ等への実用化も期待できる。現在、カラー電子ペーパーとスマートウインドウの実用化に向けて、ＪＳＴ（さきがけ「ナノ製造技術の探索と展開」
ＮＥＤＯ（産業技術研究助成事領域）や、業（若手研究グラント））、及び企業との共同開発を進めており、本研究は、科学・技術・産業の全般において、将来大きな波及効果を与えると期待される。

補足説明
電子ペーパー

紙や本の代わりを果たすと期待される次世代表示デバ
イス。紙と同じ反射型の表示形態であり、メモリー性を有するために電源を切っても表示が消えない。米国では電子書籍（Amazon社のKindle2など）として普及が進んでいる。
カラー化が現在の課題の一つ。

スマートウインドウ

電気により透明状態と非透明状態を可逆に変えることができる次世代窓。駆動方式の違いにより、窓が曇ることによって単に光の透過率が変わるものから、着色することで遮光するものなどがある。
カーテンの使えない車や電車、住居等の窓に用いることで空調の省エネに役立つと期待される。

References（参 考 文 献 ）【1】M. Higuchi, S. Shiki, K. Ariga, K. Yamamoto, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123,4414-4420.
【2】K. Yamamoto, M. Higuchi, S. Shiki, M. Tsuruta, H. Chiba, Nature, 2002, 415,509-511.
【3】M. Higuchi, M. Tsuruta, H. Chiba, S. Shiki, K. Yamamoto, J. Am. Chem. Soc.,
2003, 125, 9988-9997.
【4】R. Nakajima, M. Tsuruta, M. Higuchi, K. Yamamoto, J. Am. Chem. Soc.,
2004, 126, 1630-1631.
【5】U. Kolb, K. Buscher, C. A. Helm, A. Lindner, A. F. Thunemann, M. Menzel, M.
Higuchi, D. G. Kurth, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006, 103, 10202-10206.
【6】M. Higuchi, D. G. Kurth, Chem. Rec., 2007, 7, 203-209.
【7】F. Han, M. Higuchi, D. G. Kurth, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 2073-2081.
【8】M. Higuchi, Polym. J., 2009, 41, 511-520.