Research

研究室の理念は、「高分子の相転移現象を紐解き操ることで構造・物性を巧みに制御し、既存の合成高分子を超えるユニークな環境調和型高分子材料を作る」ことです。以下で詳細を説明していきます。

環境負荷の小さい高分子材料であるバイオプラスチック（Fig. 1, 2）を対象とし、結晶化や相分離といった相転移現象を利用してその階層構造（Fig. 3）を制御することで、構造学的見地から物性・機能の改善や開拓に取り組んでいます（Fig. 4）[1,2]。特に高分子の結晶化に着目し、高結晶性の硬質の樹脂から低結晶性の軟質の樹脂まで幅広く対象とし、それらの織り成す複雑なミクロ組織と物性について研究しています。

Fig. 1. バイオプラスチック（バイオマスプラスチックと生分解性プラスチック）に関する物質循環．ここに示したバイオプラスチックの多くは結晶性の樹脂である．略称は、日本バイオプラスチック協会のホームページを参照されたし．ここでは、PES：ポリエステルの意味である．

Fig. 2. これまでに研究対象としてきた・現在研究対象としている結晶性バイオプラスチックの例：(a) poly(L-lactic acid) (PLLA) [3,4,7], (b) poly(L-2-hydroxy-3-methylbutanoic acid) (P(L-2H3MB)) [8], (c) poly[(R)-3-hydroxybutyrate] (P(3HB)) [9], (d) poly(ε-caprolactone) (PCL) [10], (e) poly(butylene succinate) (PBS), (f) poly(ethylene furanoate) (PEF), and (g) isohexide (isosorbide and isomannide) polyesters (IHX PES) [5,6]. 

Fig. 3. 静置場での結晶化により形成される高分子の階層構造の模式図．UC: unit cell. 

Fig. 4. 当グループの研究アプローチの俯瞰図．

Synthesis. 材料であるバイオプラスチックは、自ら分子設計・化学合成する場合と、企業から購入したり提供してもらったりする場合が現状は半々といったところです。合成は専ら重縮合と開環重合[5-8]を用い、最近はマイクロ波加熱を用いたグリーンな合成法にも取り組んでいます（Fig. 5）。

Processing. 成形加工法として、一般的な熱処理や延伸処理に加えて、高圧ガス[3,4]や100 MPa（1千気圧）以上の超高圧雰囲気といった特殊・極限環境下での成形加工にも着目し、特異的な階層構造の形成と物性機能の開拓に挑戦しています。

Structure. 構造解析では、回折散乱法・顕微鏡法・分光法を組み合わせて、高分子の階層構造（Fig. 3）とダイナミクスの解析を多面的・横断的に行なっています[5,6]。特に、X線回折散乱法を武器として、結晶化度やラメラ厚といった構造パラメータの精密解析に留まらず、繊維回折法により高分子の結晶構造を解く（単位格子を決定する）ことにも取り組んでいます[6]。共重合体やブレンド材料では、共結晶化[7,11]や結晶化・相分離の競合[10]など複雑化し、多様なミクロ組織が形成されます。

Properties. 物性として、熱物性、力学特性、粘弾性、粘着特性、ガスバリア性、生分解性などを評価しています[7]。

Fig. 5. (a) マイクロ波合成の反応系．L-乳酸から直接重縮合によりポリ(L-乳酸) (PLLA) を合成することができる．(b) 反応物を再沈殿精製することで得られたPLLAの繊維状試料．

References

1. Marubayashi, H. Sen’i Gakkaishi 2017, 73, 312-315.

2. https://www.biobased.kit.ac.jp/wp/wp-content/uploads/2023/10/marubayashi.pdf

3. Marubayashi, H.; Akaishi, S.; Akasaka, S.; Asai, S.; Sumita, M. Macromolecules 2008, 41, 9192–9203.

4. Marubayashi, H.; Asai, S.; Sumita, M. Polymer 2012, 53, 4262–4271.

5. Marubayashi, H.; Ushio, T.; Nojima, S. Polym. Degrad. Stab. 2017, 146, 174–183.

6. Marubayashi, H.; Ushio, T.; Nojima, S. Macromolecules 2019, 52, 4624–4633.

7. Marubayashi, H.; Asai, S.; Hikima, T.; Takata, M.; Iwata, T. Macromol. Chem. Phys. 2013, 214, 2546–2561.

8. Marubayashi, H.; Nojima, S. Macromolecules 2016, 49, 5538–5547.

9. Kabe, T.; Tanaka, T.; Marubayashi, H.; Hikima, T.; Takata, M.; Iwata, T. Polymer 2016, 93, 181–188.

10. Nakagawa, S.; Marubayashi, H.; Nojima, S. Eur. Polym. J. 2015, 70, 262–275.

11. Marubayashi, H.; Nobuoka, T.; Iwamoto, S.; Takemura, A.; Iwata, T. ACS Macro Lett. 2013, 2, 355–360.

学べること、身につくこと（知識と技術）

• 高分子の化学合成 （例：　重縮合、エステル交換反応、開環重合、マイクロ波合成）

• 高分子の特性解析 （例：　核磁気共鳴分光法、ゲル浸透クロマトグラフィー、粘度測定、密度測定、旋光度測定）

• 高分子の成形加工 （例：　溶融混練、溶融圧縮成形、溶媒キャスト、熱処理、延伸、超臨界CO2処理、高圧処理）

• 高分子の構造 （例：　らせん構造、単位格子、折り畳み/伸び切り鎖、長周期構造、球晶；　ミクロ/マクロ相分離）

• その形成過程 （例：　結晶化、結晶の厚化、共重合鎖のinclusion/exclusion、相分離、結晶化/相分離の競合）

• その解析手法 （例：　広角X線回折法、小角X線散乱法、偏光顕微鏡法、原子間力顕微鏡法、赤外分光法）

• 高分子の物性 （例：　熱物性、力学特性、粘弾性、粘着特性、ガスバリア性、生分解性）

• その評価手法 （例：　示差走査熱量測定、引張試験、動的粘弾性測定、酵素分解試験）

➡　高分子の合成から成形加工、構造・物性まで一通り学び、実験技術を習得することができます。

研究の進め方（知識・技術・発想力・問題解決力）

• 学部・修士の学生：　教員側からいくつか研究テーマを提案します。各学生の興味・適性などを踏まえて、テーマを決定します。

• 博士課程の学生：　基本的には、学生が自ら研究テーマを立案することが望ましいです。

➡　まずは、知識と技術を習得し、鍛錬することが重要です。それらに基づいた堅実な発想力だけでなく、時にそれらにとらわれない柔軟な発想力で、それぞれの研究テーマの課題解決に取り組んでいきます。