A.S.博士Zhang Fusheng 氏が ACS NANO でナノセルロース研究を推進

研究チームは、連続拘束自己組織化機構、せん断駆動配向、高速光化学架橋反応、湿式紡糸技術を組み合わせることで、セルロースナノ結晶（CNC）のキラルフォトニックフィラメント作製における技術的ボトルネックを克服することに成功しました（図2）。処理パラメータの最適化と熱処理によりCNC分子内の水素結合を強化することで、左手系キラルネマティック構造を維持しながら、長さ30メートル以上、直径約160ミクロンのフォトニックフィラメントを作製しました。

図2「閉じ込められた自己組織化」のフローチャート

フォトニックフィラメントは優れた性能特性を示します。配向秩序パラメータが0.91の高度に秩序化された階層構造、優れた機械的特性（最大37 MPaの応力、約14 MJ∙m−3の靭性）、そして水環境への優れた適合性を備えています。特に注目すべきは、これらのフィラメントは、高い複屈折特性（Δnが16.5 × 10−3）と大きな光路差（> 2500 nm）により、湿度、視野角の変化、および機械的応力に対して顕著な干渉色応答を示すことです。

本研究成果は幅広い応用の可能性を秘めています。フォトニックフィラメントは標準的な織機で加工でき、手織りと機械織りの両方に適しており、スマートテキスタイルとファッションイノベーションの新たな道を切り開きます（図3）。この技術革新は、フォトニックメタマテリアル、スマートテキスタイル、偏光ソフトファイバー通信におけるセルロース材料の応用を促進するだけでなく、持続可能な開発のための革新的なソリューションも提供します。

図3 アプリケーション電位表示

本研究は、中国科学院大連化学物理研究所の清光燕研究員を責任著者とし、武漢紡織大学を第一ユニット、中国科学技術大学の張復生博士、修士課程の于佳奇氏、博士課程の鍾偉氏が共同第一著者として研究を遂行しました。研究成果は「ACS NANO」誌に「セルロースナノ結晶の閉じ込められた自己組織化による応答性フォトニックフィラメント」というタイトルで掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15863

Materials Today誌に掲載された別の研究において、張復生博士は中国科学院大連化学物理研究所の清光燕研究員と共同で、動的機械色変化特性を有するフォトニックブリガンド構造ハイドロゲルの開発に成功しました。この研究は、結晶ドメインの縮小と鎖再構築技術を用いてCNCキラルネマティック構造（図4）を方向転換することで、材料性能における大きな進歩を達成しました。

図4 結晶ねじれの概念図

この新しいフォトニックハイドロゲルは優れた機械的特性を示し、伸縮性は950%を超え、靭性は155.5 MJ∙m⁻³と非常に高い。同時に、この材料は427 nmの波長シフトを伴う可逆的な色変化を示し、広範囲の機械的伸縮に対して漸進的な電気センシング応答を維持する。特に注目すべきは、研究チームがこのハイドロゲルをマイクロコントローラーに統合し、光学的および電子的なデュアルシグナルレポート機能を通じて圧力分布の視覚的位置特定を実現する機械イメージングプラットフォームを構築した点である（図5）。

この革新的な成果は、CNC材料の応用における新たな時代を告げるもので、医療、エネルギー、産業分野に革新的なソリューションをもたらします。この研究は、高強度フォトニックハイドロゲルを製造するための新たな方法を開拓するだけでなく、バ​​イオニックフォトニックセルロース材料のインテリジェントな応用に向けた重要な理論的・技術的サポートも提供します。