大阪大学大学院工学研究科電気電子情報工学専攻の吉田浩之助教、朝倉啓太氏（2014年度同大工学研究科博士前期課程修了）、尾崎雅則教授、および産業技術総合研究所機能化学研究部門動的機能材料グループの福田順一主任研究員は、ネマティック液晶 薄膜におけるトポロジカル欠陥の数と形状を制御する技術を開発しました。また、作製したトポロジカル欠陥を用いることで、大きさ数ミクロンの微小物質を2V以下の小さな電圧で可逆的に動かせることを示しました。

ネマティック液晶とは棒状分子が一様に配向した固体と液体の中間相 であり、ディスプレイにも応用される、最も一般的な液晶材料です。液晶におけるトポロジカル欠陥は自己修復機能を持つゲルの作製や光渦と呼ばれる特殊な光波の生成など、ディスプレイ以外の応用を拓くものとして注目されていますが、これまでその数や形状を制御することは容易ではありませんでした。

社会的にはテレビの代名詞となっている「液晶」ですが、防弾チョッキに使われる機能性高分子素材や太陽電池などに応用される有機半導体、DNAに代表される生体試料など、実は多くの材料系が「液晶」状態を示します。今回開発したトポロジカル欠陥の数と形状を制御する技術は、材料系を選ばないため、幅広い分野への応用に貢献することが期待されます （図1） 。

本研究成果は、平成27年5月21日（英国時間）に英国 Nature Publishing GroupのNature Communications誌に公開されました。

ネマティック液晶とは棒状分子が一様に配向した固体と液体の中間相であり、ディスプレイにも応用される、最も一般的な液晶材料です。ディスプレイにおいて液晶の分子は一様配向していますが、近年、分子の配向が一意に定義できない特異点、すなわちトポロジカル欠陥が注目を集めています （図2） 。

液晶のトポロジカル欠陥は3次元空間では点または線として存在し、一様配向した液晶とは異なる振る舞いを示します。例えば、トポロジカル欠陥の導入により、液晶の粘弾性的な性質が変わり、自己修復能を持つゲル材料を実現できることが知られています。他にも、光渦と呼ばれる、レーザー加工に用いられる特異な光波を生成できることが知られています。

しかしながら、これまでの研究では偶然生成されたトポロジカル欠陥、あるいは特殊な形状を持つ基板を用いて生成されたトポロジカル欠陥が利用されることが多く、その形状を任意に制御することは容易ではありませんでした。 本研究では、液晶を保持する基板の界面に特異点を有する配向容易軸 をパターニング することで、液晶ディスプレイと同じサンドイッチ型の素子において、任意の数と形状のトポロジカル欠陥を生成できることを明らかにしました。

液晶のトポロジカル欠陥は従来制御することが難しく、理学的な興味から研究されることが殆どでした。本研究成果はトポロジカル欠陥の数や形状を制御することを可能とするため、トポロジカル欠陥を活用した新しい液晶の応用が拓けることが期待されます。例えば、液晶中に金属のナノ物質を添加し、トポロジカル欠陥によってその配置を制御することができれば、特性可変なメタマテリアル への応用が期待されます。また、多数のトポロジカル欠陥を網目状に生成することによって、高速な電界応答性から最近注目されるフラストレート相 を人工的に誘発できる可能性があります。

本研究は、科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業（さきがけ）プロジェクト、日本学術振興会(JSPS) 科学研究費補助金の支援によって得られた成果です。

実験では、光配向法 を用いて液晶を保持する2枚の基板の界面に 図3 に示すような配向容易軸をパターニングしました。パターニングした配向容易軸はそれぞれ特異点を持ち、かつ異なる欠陥強度 を持つため、偏光顕微鏡 で観察すると特徴的な模様が見えます。パターニングを行った2枚の基板を、その特異点が若干ずれるように配置すると、特異点を結ぶようにトポロジカル欠陥が生成されることが見出されました。 図4 に示すように、誘起されるトポロジカル欠陥の本数は配向容易軸パターンの欠陥強度の2倍となり、その形状は特異点周りの液晶の配向に支配されることが明らかとなりました。この性質を利用し、基板界面の配向容易軸パターンを変えることで、2枚のガラスに挟まれた液晶薄膜中に様々な形状のトポロジカル欠陥を誘起することに成功しました。

また、トポロジカル欠陥は微小物質を捕捉する性質があるため、直径3ミクロンの粒子を液晶に添加した場合には、トポロジカル欠陥の形状を模倣した3次元的な空間配置が得られることが明らかとなりました。更に、2V以下の低い電圧印加によってトポロジカル欠陥は3次元的に形状を変化させ、それに伴って微小物質の空間配置が可逆的に制御できることが明らかとなりました （図5） 。このように、これまで制御がほとんどなされていなかった、液晶のトポロジカル欠陥の数と形状を制御することに成功しました。

図1　形状制御したトポロジカル欠陥の生成
液晶を挟む2枚のガラス基板を、パターンの特異点がずれるように離して設置すると、2枚の基板の特異点を結ぶ様に トポロジカル欠陥が誘起され、細い線状の組織として観察される。その本数は特異点の欠陥強度によって決まり、形状は 特異点周りの配向分布によって決まる。

図2　一様配向した液晶とトポロジカル欠陥を含む液晶の模式図
トポロジカル欠陥は分子の配向方向が一意に定まらない特異点であり、3次元空間では点また線として存在する。

図3　基板界面にパターニングした配向容易軸分布の模式図と実験で得られた偏光顕微鏡像
上段の模式図において、液晶分子は流線に沿って配向する。また、下段の偏光顕微鏡像において、液晶は同じパターンを有する2枚のガラス基板に挟まれている。二つの基板の特異点の位置が一致している場合、パターンを反映した明暗の模様が観察される。

図4　形状制御したトポロジカル欠陥の生成
液晶を挟む2枚のガラス基板を、パターンの特異点がずれるように離して設置すると、2枚の基板の特異点を結ぶ様にトポロジカル欠陥が誘起され、細い線状の組織として観察される。その本数は特異点の欠陥強度によって決まり、形状は特異点周りの配向分布によって決まる。

図5　トポロジカル欠陥を利用した微小物質の空間配置と電圧制御
液晶に添加された直径3マイクロメートルの粒子は、トポロジカル欠陥に捕捉され、その形状どおりの空間配置をとる。トポロジカル欠陥の形状は2V以下の低い電圧によって変形し、それに伴って粒子の位置も変化する。