大学通信が提供する大学情報に特化した広報支援サービス 大学プレスセンター

・世界で初めて重合誘起相分離による高分子ウィア＝フェラン構造の構築に成功
・六角形と五角形の面を持つ多面体粒子および同多面体による空間充填構造を確認
・様々な材料への応用が可能であり、予想外の機能を有した先端材料の開発に期待

ウィア＝フェラン構造は、六角形2面と五角形12面を持つ十四面体と、五角形面を持つ十二面体の2種類のセルからなり、2つのセルの体積は等しくなっています。十四面体と十二面体のセルが3:1の割合で空間を充填するように配置されることにより、この構造が形成されます。この構造は、1993年にデニス・ウィア、ロバート・フェランによるシミュレーションにより発見され、空間充填のもっとも効率的な構造として100年以上も受け入れられてきたケルヴィン構造(切頂八面体)よりも境界面積が0.3％小さいことが分かりました。ウィア＝フェラン構造はスポーツ競技場のモチーフになっているものもありますが、現実に直接観察されるものとしては洗剤の泡とパラジウム・鉛合金しか知られていません。

研究チームは、重合誘起相分離を用いてネットワークポリマーを合成することにより、ウィア＝フェラン構造を構築しました。このポリマーの合成には、多官能（四官能）チオールと（二官能）ヘキサメチレンジイソシアネートという2つの汎用化合物（モノマー）の重付加反応を利用しました。この合成法は、多官能モノマーを「ジョイント分子」、ジョイント分子間を繋ぐ二官能モノマーを「リンカー分子」としてポリマーネットワークを形成するジョイント・リンカーコンセプトに基づくものです。研究チームは、トルエン中でトリエチルアミンを触媒として用いて種々の条件下でポリマーの合成を検討したところ、高モノマー濃度の反応において表面に六角形と五角形の面を持つ空間充填多面体粒子を形成することを見出しました。さらに、3次元走査型電子顕微鏡を用いて多面体構造を調べたところ、これがウィア＝フェラン構造の多面体に相当することが分かりました。

今回合成された材料は、フォトニクス、分離、触媒、ナノ医療、構造材料などへの応用が期待されています。予想外の機能を持つ先端材料の開発に向けて、既成概念にとらわれない新しいコンセプトで検討を進めていきます。

本研究の一部は、JSPS科研費（24550261）、MEXT科研費（JP19H02759）、科学技術振興機構（JPMJTMl9E4）の助成を受けたものです。

著者　：
　芝浦工業大学工学部応用化学科　教授　永　直文
　北海道大学触媒科学研究所　教授　　　中野　環
論文名：The first space‑filling polyhedrons of polymer cubic cells originated from Weaire‑Phelan structure created by polymerization induced phase separation
掲載誌：Scientific Reports
DOI　 : 10.1038/s41598-022-22058-7