生物に学ぶ光制御 ─ 液晶で構造色、機能薄膜やレーザを作る

モルフォ蝶やクジャクなど自然界にみられる構造色は、その美しさや巧妙さから注目の研究対象だ。光を生み出す構造を解明、再現することによって、染料や顔料を使わない色表現や、それを応用したあらたな機能材料が作り出されている。

われわれが色を作る場合、染料や顔料といった材料そのものの色を利用することが一般的だ。一方、自然界には材料そのものが持つ色ではなく、光の波長オーダーの媒質と光の相互作用、つまり干渉、回折、屈折、散乱などによって生じる構造色も多くみられる。たとえばシャボン玉や油膜、空の散乱、生物であればカナブンやタマムシなどの昆虫、クジャクやカワセミといった鳥類などだ。
　構造色を人工的に作る試みは多く行われている。ナノインプリントによる微細構造の形成や、屈折率の違う膜を重ねて膜厚が光の波長オーダーになるまで延伸するなど手法はさまざまだが、光の波長程度の干渉構造を作る点は共通である。これらは主に材料に加工を加えていくトップダウンの手法だ。一方、東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻 教授の渡辺順次氏の研究室では、液晶の配向性を利用したボトムアップの手法による構造色の発現に取り組んでいる。渡辺氏らは昆虫の構造色がコレステリック液晶によって再現できることを見出し、高分子に液晶性を付与することによって、自己集積による構造色の発生、さらにはさまざまな光機能薄膜を作り出すことに成功している。

昆虫の羽は液晶

コレステリック液晶は液晶の中でも特徴的な配置を取るものである。図1のように、液晶性の分子が少しずつ隣り合う分子とずれることによってらせん状に並ぶ。らせんの一周期が干渉膜の一単位となり、多層膜によって特定の波長の光を強めあう。さらにらせん構造により左か右の片方のみの円偏光を選択反射する。カナブンの背中が反射する光もコレステリック液晶による左偏光だ（図2）。
　渡辺氏はカナブンの構造色を生み出す体表の構造がコレステリック液晶であることを見出し、さらにその構造色を再現することに成功した。図3はポリペプチドに液晶性を付与して固化し、構造色を持たせた薄膜である。ほかにもセルロースやキチン質でも同様の構造色を実現している。製造方法は、各高分子に化学的に修飾を加えたうえで基板上に塗布し、アニール（焼きなまし）によって材料内のひずみを取り、高温の液晶状態からクエンチ（急冷）することで、液晶を固化させる。選択反射の色はらせんのピッチを変えることで変化させられる。クエンチ前の温度を高くすると、ピッチが長くなるという。身近なPETなどのポリエステル材料に液晶性を付加して同様の構造色を作り出すことにも成功している。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2013/03/201303_0016Introlabo.pdf