東京大学は、分子1個の厚さの高分子シートを大量に合成できる手法を開発したと発表した(ニュースリリース)。大学院新領域創成科学研究科教授の植村卓史氏らの研究によるもの。分子レベルの細孔を持つ多孔性金属錯体(Metal-Organic Framework:MOF)を鋳型に用いることで、「史上最薄」(東京大)の高分子シートを実現した。

 MOFは、金属イオンとそれをつなぐ有機物から成り、2D状のナノサイズの空間が規則的に並んでいる。吸湿材や触媒などへの応用が検討されているが、研究チームは今回、そのナノサイズの空間内でモノマーを架橋重合すれば、分子レベルの厚さの高分子シートを効率的に得られると考え、合成手法の開発に取り組んだ(図)。

図:MOFを鋳型にした高分子重合(出所:東京大学)
図:MOFを鋳型にした高分子重合(出所:東京大学)
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 具体的には、約0.8nmとスチレン分子(約0.7nm)より少し大きな隙間を有するMOFを合成し、その隙間にスチレン分子を入れて、単分子厚の2次元空間内にスチレンを閉じ込めた。その状態でスチレンモノマーを架橋重合した後、MOFを取り除き、単分子厚のポリスチレンシートを単離することに成功した。この手法は反応のスケールアップも容易で、同様の手順でグラムオーダーのポリスチレンシートも合成できた。

 一般にモノマーを架橋重合すると3次元的なネットワークを作るため、溶媒に溶けない固体になる。それに対して新手法で作製したポリスチレンシートは、溶媒に均一に分散して溶解する。光散乱を利用した分子量測定により、同シートの分子量は約30万と分かり、そのサイズは約100nmと見積もられた。原子間力顕微鏡による観察から、分子レベルで2次元状のシート構造を持ち、紐状構造を持つ従来の高分子とは大きく異なる形状であることも明らかになった。

 同シートのガラス転移点は、一般的なポリスチレンよりも5℃以上低い。この性質は、分子形状の2次元性に由来するとみられる。動的粘弾性試験による結果から、同シートは同分子量の紐状ポリスチレンに比べて弾性率が低く、柔軟性が大幅に高いのが確認された。これは、高分子シートが互いに絡み合えない性質に起因するもの。毛糸や電気コードのような紐状の物体が絡み合うが紙や布といった2次元状の物体は絡み合わないという、日常的にみられる現象が高分子でも発現することも突き止められた。

 新手法はモノマーの種類を問わず適用可能で、ポリメチルメタクリレートについても単分子厚のシートを作製できた。MOFは、金属と有機物の組み合わせによって任意に構造を設計できるので、MOFの隙間の大きさを約1.2nmに設定して同様にモノマーを架橋重合したところ、隙間の広さに応じた厚い高分子シートを得られた。この結果から、新手法によってシートの厚さも制御できることが示されたとしている。

 研究チームによると、薄膜化の方法には塗布や延伸などがあるが、それらで分子レベルまで薄い高分子シートを合理的かつ大量に合成するのは難しい。そのため従来、極薄の高分子シートの性質などについても詳しく分かっていなかったという。MOFを用いる新手法が実用化されれば、シート状高分子の大量供給が期待できる。製造した高分子シートを自動車やスマートフォンなどに採用すれば、高性能化や軽量化に加えてコスト削減も図れる。その他、高分子製品や油脂、塗料、コーティング材料など、さまざまな化成品への応用が可能と見ている。