理工学部研究年報

昆虫の表皮や鳥類の羽などには非常に鮮やかな色を呈するものがある。このような生物の表面近傍を詳しく調べてみると、1マイクロメートル（100万分の1メートル）よりも小さな周期構造が見つかる[1-3]。この微細な周期構造に照射された光が回折、散乱、干渉などを起こし、特定の波長の光が強められた結果として観察される鮮やかな発色は「構造色」と呼ばれる。構造色は一般に美しい光沢を持ち、退色しにくい性質のため、構造発色性を示す微細構造を人工的に作り上げることで新しい表示材料や色彩材料として利用する試みが展開されている。

近年、分子集合体やゲルなどのソフトマテリアルをベースとする構造発色性材料が報告され、新ジャンルのフォトニック材料として注目を集めている。ソフトマテリアルには作製条件や外部環境に応じて構造・特性を柔軟に変化させるものが多く、フォトニック材料に応用すれば外部因子により発色特性を自在に制御できるスマートな材料の開発が可能になる。本研究では、生体膜の主要構成成分であるリン脂質やコレステロールなどの脂質分子（図１）がその組成や環境条件により球状ミセル、棒状ミセル、ベシクルなど多様な分子集合体を形成することに着目し、生体脂質を主成分とする分子集合体を基盤とした新しいフォトニック材料の開発について検討を行っている。これまでに、生体脂質分子の自己組織化挙動を外部刺激（加熱・冷却や各種化合物の添加）により制御することで、同一の分子群から構成されるにもかかわらず条件に応じて光を通す・遮る・反射するといったユニークな特性変化を示す分子集合体が得られている[4, 5]。本研究では、この新しい分子集合体について、様々な外部刺激による光学特性の変化を詳しく調べることにより、新規機能材料への展開に向けた基礎的知見を得ることを目的とした。

1.生体脂質を主成分とする分子集合体の形成と温度による光透過特性の制御

上記方法により、NaClなどの塩を含む水溶液中で直径が数ミリメートルに達する球状の分子集合体を得ることができた。この集合体を15～40℃程度の温度範囲で冷却および加熱したところ、30℃以上では透明な粒子であったのに対して、30℃よりも低い温度では白濁し15℃付近では完全に不透明な粒子となった（図2）[6]。

加熱・冷却を繰り返し行った場合にも、同様の変化が可逆的に起こることが示され（図3）、この分子集合体は温度により光を通したり遮ったりするユニークな光学特性を示すことが明らかとなった。

2.塩濃度による分子集合体の選択的光反射特性の制御

上記検討で得られた球状分子集合体の周囲の水相を希釈し、水相中のNaCl濃度を変化させたところ、NaCl濃度の減少に伴い粒子は膨潤し、数百μM程度濃度において青～緑~赤紫などNaCl濃度依存的な発色性を示した（図4）[6]。今回の分子集合体の構成成分はいずれも無色であることから、この発色は分子集合体内に存在する何らかの周期構造に由来する構造色であると考えられる。

図5は、発色性を示す分子集合体の可視反射スペクトルから求めたピーク反射波長と水相中のNaCl濃度の関係を示したものである。NaCl濃度と反射波長との間には明らかな相間関係があり、塩濃度により分子集合体の発色挙動が大きく変化することがわかった。

【研究成果公表】