コロイド結晶ゲル、その製造方法、および、それを用いた光学素子
【課題】 密閉構造を不要とするコロイド結晶ゲル、その製造方法、および、それを用いた光学素子を提供すること。
【解決手段】 本発明によるコロイド結晶ゲルは、高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されており、上記高分子ゲルにイオン液体が含有されていることを特徴とする。
【解決手段】 本発明によるコロイド結晶ゲルは、高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されており、上記高分子ゲルにイオン液体が含有されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されたコロイド結晶ゲル、その製造方法、および、それを用いた光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子が液体媒質に分散された微粒子分散液において、微粒子の単分散性（粒径の均一性）が高く、かつ、粒子体積分率が所定の値を上回ると、微粒子分散液中の微粒子（コロイド粒子）は、自己組織的に周期配列した状態をとることが知られている。このような状態にある微粒子分散液はコロイド結晶と呼ばれる。コロイド結晶は、電磁波に対するＢｒａｇｇ反射能に起因する特異な特性（フォトニックバンドギャップの形成、光群速度の異常分散等）を発現することから、フォトニック結晶の性質を利用した光学素子への応用が期待されている。
【０００３】
さらに、コロイド結晶中の微粒子の位置を、網目状高分子と液体媒質とからなる高分子ゲルで固定することによって、振動および温度変化等の環境からの外乱による粒子配列の乱れを抑制したコロイド結晶ゲルまたはゲル化コロイド結晶は公知である。中でも、本願発明者らは、液体媒質として有機溶媒を用いたコロイド結晶ゲルを開発した（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１によれば、有機溶媒として用いる多価アルコールは、水に溶解し、かつ、水の揮発性よりも低い揮発性を有するため、高分子ゲルが収縮することなく、水の蒸発によって生じるコロイド結晶ゲルの格子定数の変化が抑制され、長期的に安定な格子定数を有するコロイド結晶ゲルが提供できる。また、溶媒として二種以上の溶媒を用いることにより、粒子間ゲル組織の膨潤の程度（膨潤度）を調整し、格子定数の異なるコロイド結晶ゲルを提供できる。
【０００５】
しかしながら、例え有機溶媒として多価アルコールを用いたとしても、蒸発を完全に０にすることはできず、長期間にわたる特性の維持に限界があった。そのため、特許文献１に記載のコロイド結晶ゲルを長期保存する場合には、過剰の溶媒に共存させておく必要があり、取扱が面倒であった。また、特許文献１のコロイド結晶ゲルを光学素子に採用する場合には、コロイド結晶ゲル中の溶媒の蒸発を抑制するために、複雑かつ高価な密閉構造が必要であった。さらに、二種以上の溶媒を用いた際には、溶媒の種類に応じて蒸気圧が異なるため、溶媒の比率が経時変化する。その結果、コロイド結晶ゲルの格子定数を維持することが困難であった。以上より、コロイド結晶ゲルの取扱およびこれを用いた光学素子の構成を簡便にするため、密閉構造を不要とするコロイド結晶ゲルおよびそれを用いた光学素子が望まれていた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２４５２１号公報
【非特許文献１】北爪他著、コロナ社刊、イオン液体、ＩＳＢＮ４−３３９−０６６０７−９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、密閉構造を不要とするコロイド結晶ゲル、その製造方法、および、それを用いた光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明１のコロイド結晶ゲルは、高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されており、前記高分子ゲルにイオン液体が含有されていることを特徴とする。
発明２は、発明１のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が接触充填状態であることを特徴とする。
発明３は、発明２のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択されることを特徴とする。
発明４は、発明１のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が非接触充填状態であることを特徴とする。
発明５は、発明４のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択されることを特徴とする。
発明６は、発明１から５のいずれかのコロイド結晶ゲルを製造する方法であって、微粒子が自己組織的に周期配列された後に、前記高分子ゲルにイオン液体を含浸させることを特徴とする。
発明７は、発明６の方法において、前記イオン液体に加えて水を含む溶媒を含浸させ、前記含浸させた水を除去することを特徴とする。
発明８は、光の透過、反射、回折の制御又は周波数変換にコロイド結晶ゲルを用いる光学素子であって、前記コロイド結晶ゲルが、発明１から５の何れかのコロイド結晶ゲルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
近年、アニオンと有機カチオンとからなる有機塩であるイオン液体（またはイオン性液体ともいう）が注目されている（例えば、非特許文献１を参照）。イオン液体は、蒸気圧が実質的に０である、イオン性にも係わらず粘性が低い、耐熱性である、イオン伝導性が高い等の特徴を有する。本発明は、このような特徴を有するイオン液体を利用したものである。
【００１０】
イオン液体を上記各発明の通りに用いることで、前述の本来の機能を損なうことなく、コロイド結晶ゲルに適用することに成功した。その結果、イオン液体により、長年の課題であった乾燥による問題を解決することができた。
【００１１】
本発明のコロイド結晶ゲルを長期間保存する場合、および、これを光学素子に用いる場合であっても、コロイド結晶ゲル中の液体の蒸発を抑制するための密閉構造が不要となる。その結果、本発明のコロイド結晶ゲルの保存、および、これを用いた光学素子には、専用の密閉構造が不要となるので、取扱が簡便となることに加えて、既存の容器を適宜採用した安価な光学素子が提供される。さらには、光学素子の設計の自由度を飛躍的に向上させる。
【００１２】
本発明によるコロイド結晶ゲルの製造方法によれば、既存の粒子がゲルによって固定化されたコロイド結晶ゲルにイオン液体を含浸させるステップを包含することを特徴とする。イオン液体に含浸させるだけでよいので、操作が簡便である。また、既存の装置を利用できるので、安価に提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、同様の構成要素には同様の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明によるコロイド結晶ゲル１００の模式図を示す。
【００１５】
本発明によるコロイド結晶ゲル１００は、粒子（微粒子とも呼ぶ）１１０と、網目状高分子１２０と、イオン液体１３０とからなる。なお、網目状高分子が液体媒質を含んだ状態のものを高分子ゲルという。ここで、液体媒質は水や有機溶媒やイオン液体などである。当然のことながら、粒子１１０は、結晶構造を構成する周期配列を成しており、結晶学の原理に基づいて光のＢｒａｇｇ反射を示す。
【００１６】
粒子１１０は、コロイド粒子とも呼ばれ、例えば、シリカ粒子、ポリスチレン粒子、高分子ラテックス粒子、二酸化チタン等の酸化物粒子、金属粒子、異なる材料を組み合わせた複合粒子であるが、これらに限定されない。なお、複合粒子とは、２種類以上の異なる材料（材質）を組み合わせて構成されており、例えば、一方の材料が他方の材料でカプセル化されて、１つの粒子を形成しているもの、一方の材料が他方の材料に貫入して１つの粒子を形成しているもの、半球状の異なる材料が結合して１つの粒子を形成しているもの等を意味する。
【００１７】
粒子１１０の材料は、粒子１１０の屈折率と後述するイオン液体１３０の屈折率との差異から選択してもよい。粒子１１０の屈折率とイオン液体１３０の屈折率との差異が大きい場合（例えば、粒子１１０として屈折率１．５９のポリスチレンを、イオン液体１３０として屈折率１．４９の１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートを選択した場合）、ストップバンド（不透過帯）の半値幅の大きなコロイド結晶ゲルが得られる。粒子１１０の屈折率とイオン液体１３０の屈折率との差異が小さい場合（例えば、粒子１１０として屈折率１．４６のシリカを、イオン液体１３０として屈折率１．４９の１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートを選択した場合）、半値幅の小さいシャープな不透過帯を与えるコロイド結晶ゲルが得られる。このような材料の選択は、コロイド結晶ゲルが用いられる用途に応じて適宜選択され得る。
【００１８】
網目状高分子１２０は、重合性の水溶性分子（モノマーまたはマクロマー）が重合によって形成した高分子が架橋によって三次元的ネットワーク構造を構成した網目状の高分子である。網目状高分子１２０は、上述の粒子１１０の位置を固定し、維持するように機能する。このような水溶性分子は、例えば、アクリルアミド、または、各種アクリルアミド誘導体（Ｎ−メチロールメタアクリルアミド、Ｎ−メチロールアクリルアミド、Ｎ−アクリロイソアミノエトキシエタノール、Ｎ−アクリロイソアミノプロパノール、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドなど）が使用可能であるが、これらに限定されない。なお、本明細書において、特に断りを入れない限り、「網目状高分子」とは、重合性の水溶性分子の重合体によって形成された網目状高分子を意図するものとすることに留意されたい。
【００１９】
イオン液体１３０は、水および有機溶媒の代わりに分散媒（単に溶媒とも呼ぶ）として機能する。イオン液体１３０は、実質的に蒸気圧が０であるため、蒸発しない。そのため、本発明のコロイド結晶ゲル２００を保管する場合、または、光学素子に用いる場合に、分散媒の蒸発を防ぐために、コロイド結晶ゲル２００を密閉容器等の密閉構造に封止する必要はない。参考のため、表１に代表的なイオン液体とその特性（融点、動粘度、比重、屈折率、水との混和性、毒性）を示す。表１において「完全混和」とは、水との混和性が極めて良いことを示し、「部分混和」とは、水との混和性が悪いものの、一部混和することを示し、「非混和」とは、水と混和しないことを示す。
表１は種々のイオン液体の特性を示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
表１に示されるように、イオン液体は各種特性を有する。例えば、ＨＭＩＳ健康有害性レーティングに着目すれば、人体および環境への影響が懸念される状況下では、イオン液体の中でもレーティングの低いものを採用することが好ましい。イオン液体は、用途、必要な特性に応じて選択されるが、表１に示すイオン液体は例示であってこれに限定されないことは言うまでもない。
【００２２】
次に、本発明によるコロイド結晶ゲルの種々の状態を説明する。
【００２３】
図２は、本発明による種々の状態にあるコロイド結晶ゲルの模式図を示す。
【００２４】
図２（Ａ）は、接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２１０を示す。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、いずれも非接触充填状態にあるコロイド結晶２２０および２３０を示す。
【００２５】
（Ｉ）接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル
図２（Ａ）のコロイド結晶ゲル２１０は、粒子１１０同士が互いに接触している、または、実質的に接触しているように配列した密充填の構造を模式的に示している。このような密充填の状態を接触充填状態とよぶ。
【００２６】
コロイド結晶ゲルが接触充填状態であるか否かは、粒子体積分率から判別できる。同一粒径の剛体球状粒子が接触して最密充填構造をとる場合は、理論的に粒子体積分率は７４％であることが知られている。実際の判定基準としては、理論的な最密充填状態より、粒子間距離が１０％程度大きなところまでは、「実質的に接触している」とするのが現実的である。この場合の粒子体積分率は約５５％である。そこで、本明細書において、粒子体積分率が５５％以上である場合を接触充填状態と判定する。ここで、粒子体積分率の上限は、イオン液体が含有される限り、７４％に限らない。これは、粒子が変形し、潰れることによって粒子体積分率が７４％以上の充填状態になることがあり得るためである。なお、このような状態もまた接触充填状態として扱うのが適当である。イオン液体を含浸させたコロイド結晶ゲルの粒子体積分率は、イオン液体含浸前の出発状態のコロイド結晶ゲルからの体積変化から容易に決定できる。出発状態のコロイド結晶ゲルの粒子体積分率は、作製条件から決めておくことができる。
【００２７】
接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２１０は、粒子１１０同士が（実質的に）接触しており、その間隙に網目状高分子１２０が位置する。イオン液体１３０は、網目状高分子１２０に浸透した状態で存在する。その結果、接触充填状態にあるコロイド結晶２１０においても、分散媒の蒸発が抑制されるので、コロイド結晶ゲル２１０の蒸発による特性変化を生じ得ない。
【００２８】
接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２１０におけるイオン液体１３０は、好ましくは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択される。これらのイオン液体は水との混和性が悪いため、水溶性分子からなる網目状高分子１２０との親和性が悪く、網目状高分子１２０が収縮するように機能する。
【００２９】
このようなコロイド結晶ゲル２１０は、粒子１１０の周期配列による光の回折に基づく構造色を示す。このような構造色を利用して、コロイド結晶ゲル２１０は色材またはセンサに適用可能である。また、フォトニック結晶としての性質である、特定周波数を有する光の閉じ込め効果、または、複雑なフォトニックバンド構造に基づく周波数変換効果を利用した、レーザ素子としても適用され得る。
【００３０】
上述したように粒子１１０が密充填で配列されているため、コロイド結晶ゲル２１０は変形しにくく、安定である。したがって、接触充填状態にあるコロイド結晶２１０は、とりわけ、堅さが要求される環境下で使用する場合に好適である。また、網目状高分子１２０に、空気ではなくイオン液体１３０が浸透されているので、空隙などの構造欠陥の屈折率変化が小さい。その結果、構造欠陥による散乱を抑制した光学素子を提供できる。
【００３１】
（ＩＩ）非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル
図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０および図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０、すなわち、図２（Ａ）以外の状態にあるコロイド結晶ゲルは、いずれも、粒子１１０が周期的に配列した構造であるが、粒子１１０は互いに非接触である。このような状態を非接触充填状態と呼ぶ。コロイド結晶ゲルが非接触充填状態であるか否かは、上述したように、粒子体積分率が５５％未満であるか否かにより判別することができる。
【００３２】
非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２２０、２３０におけるイオン液体１３０は、好ましくは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択される。これらのイオン液体は水との混和性が良いため、網目状高分子１２０と親和し、網目状高分子１２０が膨張するように機能する。
【００３３】
図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示されるように、非接触充填状態にあるコロイド結晶の格子定数（例えば、ｄＢ、ｄＣ）は、接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルのそれ（例えば、ｄＡ）よりも大きい（ｄＢ、ｄＣ＞ｄＡ）。すなわち、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルでは達成できないより長波長領域の光学特性（Ｂｒａｇｇ波長、ストップバンド）を発現する。
【００３４】
図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示されるように、コロイド結晶ゲル２２０の格子定数ｄＢとコロイド結晶ゲル２３０の格子定数ｄＣとは、異なっており、関係ｄＢ＜ｄＣである。このように格子定数が異なる状態は、粒子体積分率が異なることを意味する。非接触充填状態のコロイド結晶ゲルであっても粒子体積分率が異なることにより、光学特性が異なる。具体的には、図２の下図に模式的に示すように、格子定数がｄＢからｄＣへと広がると、透過スペクトルの不透過帯の波長（すなわち、ストップバンド）がλＢからλＣへとシフトする。本発明によれば、分散媒としてイオン液体１３０を用いることにより種々の粒子体積分率（すなわち、種々の格子定数）を有するコロイド結晶ゲルを提供することができる。
【００３５】
次に、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルの構造について図２を参照してさらに詳述する。粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルは、（ｉ）イオン液体の選択または組み合わせによって、または、（ｉｉ）含有されるイオン液体の量を制御することによって達成される。それぞれの場合について、図２を参照して説明する。ここで、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０の粒子体積分率は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０の粒子体積分率よりも大きいものとする。
【００３６】
（ｉ）イオン液体の選択および組み合わせにより粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルについて
一定重量（溶媒を除いた重量）の網目状高分子１２０が内部に溶媒を含有して膨潤するとき、含有保持し得る溶媒（分散媒）量には上限がある。したがって、上限以上の溶媒と共存させてもコロイド結晶ゲルの体積は増加しない。このような飽和した膨潤状態を飽和膨潤状態と呼ぶ。また、飽和膨潤状態になるのに必要な溶媒量を飽和膨潤量と呼ぶ。当然のことながら、飽和膨潤状態にあるコロイド結晶ゲルは、それ以上膨潤しない、すなわち最大膨潤度を有する。
【００３７】
しかしながら、飽和膨潤量はイオン液体の網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）に応じて異なる。したがって、イオン液体の種類を適宜選択および／または組み合わせることにより、飽和膨潤状態であっても、コロイド結晶ゲルの体積を調整して、種々の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００３８】
ここで、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０は、大きな粒子体積分率を有し、かつ、飽和膨潤状態にあるとする。一方、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０は、コロイド結晶ゲル２２０に比較して相対的に小さな粒子体積分率を有し、かつ、飽和膨潤状態にあるとする。図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０の場合、イオン液体１３０は、網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）の低いイオン液体と親和性の高いイオン液体の組み合わせである。一方、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０の場合、イオン液体１３０は、網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）が高いイオン液体であるか、または、親和性の低いイオン液体と親和性が高いイオン液体と組み合わせである。
【００３９】
本発明によれば、イオン液体は実質的に蒸気圧が０であるため、異なる種類のイオン液体を適宜組み合わせて用いても、いずれのイオン液体も蒸発しないので、分散媒の蒸発に起因する組み合わせの混合比率の変化は生じない。すなわち、格子定数の変化は生じない。
【００４０】
このようなイオン液体１３０の選択の一例は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル１３０として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートがある。
【００４１】
一方、組み合わせおよび混合比率の一例は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０を満たすイオン液体１３０として、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートおよび１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドを９：１の比で組み合わせ、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０を満たすイオン液体１３０として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートおよび１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドを１：１の比で組み合わせる。なお、この選択および組み合わせは一例に過ぎず、当業者であればその改変は容易である。また、組み合わせは２種以上であってもよい。
【００４２】
当然のことながら、イオン液体１３０の選択および組み合わせによっては、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０よりも粒子体積分率が大きく、かつ、図２（Ａ）のコロイド結晶ゲル２１０よりも小さな粒子体積分率を有する飽和膨潤状態にあるコロイド結晶ゲルを得られることは言うまでもない。したがって、イオン液体１３０の選択および組み合わせを取捨選択することにより、コロイド結晶ゲルの格子定数を任意に制御（またはチューニング）できる。
【００４３】
また、イオン液体１３０は、水および有機溶媒とは異なるため、イオン液体１３０の種類によっては、飽和膨潤量の水（または有機溶媒）を含有するコロイド結晶ゲルの粒子体積分率よりも小さな粒子体積分率を有する（従って格子定数は大きくなる）コロイド結晶ゲルを得ることも可能である。
【００４４】
（ｉｉ）含有されるイオン液体の量を制御した粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルについて
コロイド結晶ゲルに含有されるイオン液体１３０が飽和膨潤量を満たさない場合、飽和膨潤状態より大きな粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルが得られる。このようなコロイド結晶ゲルを未飽和膨潤状態にあると言う。このように、意図的にイオン液体の含有量を制御することにより、未飽和膨潤状態にあり、かつ、種々の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００４５】
ここで、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０は、大きな粒子体積分率を有し、かつ、未飽和膨潤状態にあるとする。一方、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０は、小さな粒子体積分率を有し、かつ、未飽和膨潤状態にあるとする。この場合、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０が含有するイオン液体１３０の量は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０が含有するイオン液体１３０の量よりも少ない。
【００４６】
当然のことながら、イオン液体１３０が飽和膨潤量を満たさない程度に応じて、コロイド結晶ゲル２２０とコロイド結晶ゲル２３０との間の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲル、あるいは、コロイド結晶ゲル２１０（図２（Ａ））とコロイド結晶ゲル２２０との間の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。このように、意図的にイオン液体１３０が飽和膨潤量を満たさないようにすることにより、コロイド結晶ゲルの格子定数を任意に制御（またはチューニング）できる。
【００４７】
このような未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲルを満たすイオン液体１３０もまた、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択され得る。これらのイオン液体は水との混和性が良いため、網目状高分子１２０と親和し、網目状高分子１２０が膨張するように機能する。
【００４８】
特に、従来揮発性の溶媒を用いて未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲルを得た場合には、溶媒の蒸発により格子定数が変動し（すなわち、ストップバンドの位置が変動し）、不安定であったが、溶媒としてイオン液体１３０を用いることにより、蒸発による格子定数が変動することはなく、安定な未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００４９】
また、上記（ｉ）および（ｉｉ）を組み合わせても、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルが得られることは言うまでもない。
【００５０】
以上、非接触充填状態のコロイド結晶ゲルにおいて、膨潤度を変化させることにより、種々の格子定数（種々のストップバンド）を有するコロイド結晶ゲルが得られることを詳述してきた。次に、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルを変形させることによって、種々の格子定数を有するコロイド結晶ゲルが得られることについて説明する。
【００５１】
非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、網目状高分子１２０がイオン液体１３０を含有することによるゲル弾性（柔軟性）を有する。例えば、コロイド結晶ゲル２２０に圧縮応力を印加することによって、圧縮方向の格子定数を小さくすることができる。また、網目状高分子１２０が温度応答性を有する場合には、網目状高分子１２０の膨潤度を変え、格子定数ｄＢをｄＣに変化させるという、図２に示したような変化を、コロイド結晶ゲル２２０を加熱または冷却することにより、起こさせることができる。
【００５２】
これらの特性を生かして、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、光学式の圧力、温度、濃度等のセンサ素子、および、チューナブルな分光素子、レーザ、ノッチフィルタ等の光学素子に利用可能である。特に、格子定数の変化による光学特性の制御（チューニング）が都度要求されるような環境下において、非接触充填状態にあるコロイド結晶が好適である。当然のことながら、上記（ｉ）および（ｉｉ）と、ゲル弾性によるチューニングとを組み合わせてもよい。
【００５３】
本発明のコロイド結晶ゲルは、上記の特性に加えて、イオン液体１３０による導電性をも有し得る。このような導電性のコロイド結晶ゲルを用いて、発光素子および太陽電池等の応用が期待される。
【００５４】
次に、本発明によるコロイド結晶ゲルを製造する方法を説明する。
【００５５】
（実施の形態２）
図３は本発明によるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図である。
【００５６】
ステップＳ３１０：粒子１１０が網目状高分子１２０によって固定化されたコロイド結晶ゲルを提供する。ここで、粒子１１０および網目状高分子１２０は、実施の形態１で説明したとおりである。ステップＳ３１０のコロイド結晶ゲルは、乾燥していてもよいし、分散媒を含有していてもよい。なお、分散媒を含有する場合には、イオン液体を除く、水、有機溶媒等既存の任意の分散媒である。コロイド結晶ゲルは、例えば、特許文献１を参照して作製してもよい。本発明によるコロイド結晶ゲルとステップＳ３１０で提供されたコロイド結晶ゲルとを便宜上区別するため、以降では、ステップＳ３１０で提供されたコロイド結晶ゲルを“従来型コロイド結晶ゲル”と称する。
【００５７】
ステップＳ３２０：従来型コロイド結晶ゲルにイオン液体１３０を含浸させる。ここで、イオン液体１３０は、実施の形態１で説明したとおりである。「含浸」とは、従来型コロイド結晶ゲルとイオン液体１３０とを接触させる任意の手段を意図し、例示的には、従来型コロイド結晶ゲルをイオン液体１３０に浸漬させること、従来型コロイド結晶ゲルにイオン液体１３０を滴下すること等である。例えば、含浸条件は、大気圧中室温にて１０時間〜２４時間である。このように、本発明の方法によれば、単に、従来型コロイド結晶ゲルにイオン液体１３０を含浸させるだけで、自発的に従来型コロイド結晶ゲルにおける分散媒と、イオン液体１３０とが置換する。その結果、実施の形態１を参照して説明したコロイド結晶ゲル１００が得られる。
【００５８】
なお、製造効率の観点から、ステップＳ３２０において、加熱しながら含浸させてもよい。これにより、従来型コロイド結晶ゲルが分散媒を含有する場合には、分散媒の揮発を促進させるので、分散媒とイオン液体１３０との置換が加速し得る。加熱温度は、従来型コロイド結晶ゲルの分散媒の種類に応じて異なるが、例えば、分散媒として水を用いる場合には、４０℃〜１００℃の温度範囲が好ましい。この範囲であれば、粒子１１０の配列を乱すことなく、分散媒のみが揮発し得る。
【００５９】
また、製造効率の観点から、ステップＳ３２０において、減圧雰囲気下または除湿雰囲気下において含浸させてもよい。これにより、従来型コロイド結晶ゲルが分散媒を含有する場合には、分散媒の揮発を促進させるので、分散媒とイオン液体１３０との置換が加速し得る。圧力または湿度は、従来型コロイド結晶ゲルの分散媒の種類に応じて異なるが、例えば、分散媒として水を用いる場合には、４ｋＰａ以下の減圧雰囲気または４０％以下の湿度範囲が好ましい。この範囲であれば、常圧で通常湿度の環境下に比べて、分散媒の揮発の加速について有効な効果が期待しうる。当然のことながら、ステップＳ３２０において、減圧雰囲気下または除湿雰囲気下にて従来型コロイド結晶ゲルを加熱してもよい。
【００６０】
次に、接触充填状態のコロイド結晶ゲル２１０（図２（Ａ））および非接触充填状態のコロイド結晶ゲル２２０、２３０（図２（Ｂ）、（Ｃ））を得る場合の好適な製造プロセスを詳述する。
【００６１】
（Ｉ）接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルを製造するプロセスについて
再度図３を参照する。
【００６２】
ステップＳ３１０に続いて、ステップＳ３２０を行う。ただし、ステップＳ３２０において、イオン液体１３０として、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択されるイオン液体を選択すればよい。これらのイオン液体は、網目状高分子１２０に対して親和性が悪い。その結果、従来型コロイド結晶ゲル中の分散媒とイオン液体１３０とが置換する際、網目状高分子１２０が収縮することになる。このようにして、図２（Ａ）に示されるコロイド結晶ゲル２１０が得られる。
【００６３】
（ＩＩ）非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル
（ｉ）イオン液体の選択および組み合わせにより粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するプロセスについて
再度図３を参照する。
【００６４】
ステップＳ３１０に続いて、ステップＳ３２０を行う。ただし、ステップＳ３２０において、イオン液体１３０は、好ましくは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択される。
【００６５】
これらのイオン液体は水との混和性が高く、すなわち、網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）が高く、図２（Ｂ）または（Ｃ）のような小さな粒子体積分率のコロイド結晶ゲル２２０あるいは２３０を得ることができる。ただし、得られる粒子体積分率の定量的な値は、選択されるイオン液体の種類／組み合わせによって、変化するので、様々な中間的な粒子体積分率の状態のコロイド結晶ゲルを得ることができる。さらには、水との混和性の高い上記群のイオン液体と、（Ｉ）に挙げた、水との混和性の低いイオン液体とを組み合わせることによっても、同様に、中間的な粒子体積分率の状態のコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００６６】
なお、このようなイオン液体１３０の選択および組み合わせは、実施の形態１で詳述したように、目的とするコロイド結晶ゲルの粒子体積分率に応じて行われる。
【００６７】
（ｉｉ）含有されるイオン液体の量を制御した粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するプロセスについて
図４は、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図である。
【００６８】
ステップＳ３１０：図３のステップＳ３１０と同一であるため説明を省略する。
【００６９】
ステップＳ４１０：ステップＳ３１０で提供された従来型コロイド結晶ゲルの分散媒が水、有機溶媒等の揮発性溶媒である場合、従来型コロイド結晶ゲルを乾燥させる。ここで、乾燥は、従来型のコロイド結晶ゲルを加熱下、減圧雰囲気下または除湿雰囲気下にさらせばよい。なお、加熱、減圧雰囲気および除湿雰囲気の条件は、上述のとおりである。
【００７０】
ステップＳ４２０：図３のステップＳ３２０と同様にイオン液体１３０に乾燥コロイド結晶ゲルを含浸させる。この場合も、イオン液体１３０は、上記（ｉ）で説明した群から選択されるが、イオン液体１３０を飽和膨潤量よりも少ない任意の量に設定するか、または、コロイド結晶ゲルが飽和膨潤状態になる前に含浸を適宜中断する。これにより、含浸されるイオン液体の量が未飽和膨潤量となるように制御されるので、種々の未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲル、すなわち、種々の粒子体積分率（格子定数）を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００７１】
例えば、図２（Ｂ）のような大きな粒子体積分率のコロイド結晶ゲル２３０を得る場合、乾燥した従来型コロイド結晶ゲルに、飽和膨潤量より少ない量のイオン液体１３０を含浸させればよい。なお、含浸量は、予め各種イオン液体とその飽和膨潤量（未飽和膨潤量）との関係を調べておけば、容易に設定できる。
【００７２】
なお、ステップＳ３１０において従来型コロイド結晶ゲルがすでに乾燥している場合には、ステップＳ４１０を省略し、ステップＳ４２０に移動してもよい。
【００７３】
図５は、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造する別のフローチャートを示す図である。
【００７４】
ステップＳ３１０：図３のステップＳ３１０と同一であるため説明を省略する。
【００７５】
ステップＳ５１０：図３のステップＳ３２０においてイオン液体１３０に加えて水を含む以外は同一である。すなわち、イオン液体１３０と水とを所定の比率で混合した分散媒に従来型コロイド結晶ゲルを含浸させる。所定の比率とは、得たい粒子体積分率（格子定数）に応じて異なるが、水が多いと粒子体積分率の大きなコロイド結晶ゲルが得られ、水が少ないと粒子体積分率の小さなコロイド結晶ゲルが得られる。なお、このようなイオン液体と水との比率は、予め各種イオン液体とその飽和膨潤量（未飽和膨潤量）との関係を調べておけば、容易に設定できる。ステップＳ５１０によれば、イオン液体１３０と水とが所定の比率で、かつ、飽和膨潤量で含浸されたコロイド結晶ゲルが得られる。なお、この場合も、イオン液体１３０は、上記（ｉ）で説明した群から選択される。
【００７６】
ステップＳ５２０：ステップＳ５１０で得られたイオン液体１３０と水とを含浸したコロイド結晶ゲル中の水を除去する。水の除去は、図４のステップＳ４１０と同様に行えばよい。これにより、含浸されるイオン液体の量が制御された未飽和膨潤量となるので、種々の未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲル、すなわち、種々の粒子体積分率（格子定数）を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００７７】
なお、ステップＳ５１０では水に特化して説明したが、水以外にも揮発性の有機溶媒を用いてもよいが、入手のしやすさ、ステップＳ５２０の除去の容易さの観点から水が好ましい。
【００７８】
また、精度よく粒子体積分率が制御されたコロイド結晶ゲルを得るためには、ステップＳ３１０で提供されるコロイド結晶ゲルは乾燥しているか、または、ステップＳ３１０の後に、かつ、ステップＳ５１０に先立って、従来型コロイド結晶ゲルを乾燥させてもよい（すなわち、図４のステップＳ４１０）。
【００７９】
（実施の形態３）
図６は、本発明によるコロイド結晶ゲルを用いた光学素子の模式図である。
【００８０】
光学素子６００は、ノッチフィルタとして機能する。光学素子６００は、実施の形態１で説明したコロイド結晶ゲルを用いたものである。ここでは、光学素子６００は、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２３０（図２）を用いたものである。コロイド結晶ゲル２３０は、波長λＣを中心とするストップバンドを有する。コロイド結晶ゲル２３０は、例えば、ガラス基板上に配置される。コロイド結晶ゲル２３０は、実施の形態１で説明したように、含有される分散媒がイオン液体１３０（図１、図２）であるため、蒸発を抑制するための密閉容器に封止される必要はない。
【００８１】
次に、光学素子６００を用いたノッチフィルタの動作を説明する。
【００８２】
光学素子６００に少なくとも波長λＣを有する光６１０を入射する。上述したように、光学素子６００のコロイド結晶ゲル２３０の格子定数はｄＣであり、波長λＣを中心としたストップバンドを有するので、光学素子６００に入射した光６１０は、光学素子６００のコロイド結晶ゲル２３０に進み、コロイド結晶ゲル２３０において波長λＣを中心とする狭い波長幅の光６２０のみ反射される。一方、波長λＣを中心とする狭い波長幅以外の波長を有する光６３０は、コロイド結晶ゲル２３０を進み、光学素子６００から出射する。このようにして、ごく狭い帯域の光（ここでは波長λＣを中心とする狭い波長幅の光６２０）のみを反射／カットすることができる。
【００８３】
なお、実施の形態３では、例示として、単一の非接触充填状態のコロイド結晶ゲルを利用したノッチフィルタを開示したが、この様態に限定されない。例えば、粒子体積分率の異なる複数のコロイド結晶ゲルを用いて同様のノッチフィルタを構築してもよい。
【００８４】
当然のことながら、本発明のコロイド結晶ゲルの用途はノッチフィルタに限定されない。コロイド結晶ゲルの構造色を利用した色材、化学センサおよび歪センサ、コロイド結晶ゲルのストップバンドを利用した分光素子、レーザ等の光学素子に利用可能である。特に、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、上記光学特性に加えて、粒子が接触していないことによる変形容易性を持つため、波長チューナビリティが要求される用途に好適である。
【００８５】
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。
【実施例１】
【００８６】
従来型コロイド結晶ゲルを準備した（図３のステップＳ３１０）。詳細には、粒子１１０としてポリスチレン粒子（粒径２００ｎｍ）を水に分散した粒子分散液（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、型式５０２０Ｂ）を粒子体積分率約１６％に調整し、イオン交換樹脂（Ｂｉｏ−Ｒａｄ社製、型式ＡＧ５０１−Ｘ８）を投入し、脱塩処理を行った。これにより、コロイド結晶状態の分散液を得た。次いで、分散液とゲル化液とを８：２の割合で混合し、反応液を得た。なお、ゲル化液は、重合化モノマーとして３０ｗｔ％のＮ−メチロールアクリルアミド（Ｎ−ＭＡＭ）、架橋剤として３ｗｔ％のＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（Ｂｉｓ）、および、濃度０．５ｍｇ／ｍＬの重合開始剤（アゾビス〔２−メチル−Ｎ（２−ヒドロキシエチル）プロピオンアミド〕）含む水溶液である。これらが、紫外線照射によって光重合して網目状高分子１２０となる。
【００８７】
次いで、得られた反応液を特許文献１に記載の方法により、厚さ０．１ｍｍの単結晶性の従来型コロイド結晶ゲルを作製した。従来型コロイド結晶ゲルは膜状であり、得られた膜から直径７ｍｍφの円形試料片を切り出した。なお、切り出した円形試料片は、水中に浸漬させ水で膨潤した状態である。なお、円形試料片における水の飽和膨潤量は約３μＬであった。
【００８８】
その後、円形試料片をイオン液体、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに含浸させた（図３のステップＳ３２０）。含浸は、円形試料片を約１００μＬの上記イオン液体に２４時間浸漬させて行った。浸漬直後、円形試料片のサイズ変化が目視にて確認された。これは、円形試料片中の水がイオン液体と置換しているためである。なお、このようなサイズ変化は、約２０時間の浸漬により安定した。このようにしてイオン液体を含浸した円形試料片を試料１と呼ぶ。
【００８９】
試料１の粒子体積分率を測定した。まず、試料１の直径を測定し、分散媒として水を用いたコロイド結晶ゲルからなる円形試料片の直径（７ｍｍφ）で除した値（膨張率と呼ぶ）を求め、サイズ変化が等方的である（厚さ方向の膨張率も直径方向のそれと等しい）と仮定して、初期の水膨潤状態における粒子体積分率（１３％）から、当該イオン液体含浸状態における粒子体積分率を計算により求めた。これらの結果を表２に示す。
【００９０】
次いで、試料１の透過スペクトルを測定し、最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。測定には、平面分光測定装置ＩｍＳｐｅｃｔｏｒＶ１０、ＫａｗａｓａｋｉＳｔｅｅｌ Ｔｅｃｈｎｏ−ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐ．、Ｃｈｉｂａ、Ｊａｐａｎを用いた。結果を表２に示す。
【実施例２】
【００９１】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料２と呼ぶ。試料２について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例３】
【００９２】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料３と呼ぶ。試料３について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例４】
【００９３】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料４と呼ぶ。試料４について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例５】
【００９４】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料５と呼ぶ。試料５について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例６】
【００９５】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料６と呼ぶ。試料６について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例７】
【００９６】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料７と呼ぶ。試料７について、実施例１と同様に、膨張率および粒子体積分率を求めた。結果を表２に示す。
【実施例８】
【００９７】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料８と呼ぶ。試料８について、実施例１と同様に、膨張率および粒子体積分率を求めた。結果を表２に示す。
【実施例９】
【００９８】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料９と呼ぶ。試料９について、実施例１と同様に、膨張率および粒子体積分率を求めた。結果を表２に示す。
【００９９】
表２には、実施例１〜９で用いた各種イオン液体の水との混和性についても示す。表２において、水と完全混和する場合を「○」とし、それ以外（水との混和性が悪い）を「×」としている。
表２は、実施例１〜９のイオン液体の種類およびコロイド結晶ゲルの特性を示す。
【０１００】
【表２】
【０１０１】
水と完全混和するイオン液体を用いた試料１〜６（実施例１〜６）の粒子体積分率が１０％〜２５％であることから、試料１〜６は非接触充填状態のコロイド結晶ゲルであることが分かった。
【０１０２】
一方、水との混和性が悪いイオン液体を用いた試料７〜９（実施例７〜９）の粒子体積分率が６２％より大きかった。また、試料７〜９を目視観察したところ、いずれも透明であり、イオン液体が含有されることを確認した。このことから、試料７〜９は、接触充填状態のコロイド結晶ゲルであることが分かった。
【０１０３】
以上より、水との混和性が良いイオン液体は、非接触充填状態のコロイド結晶ゲルを得るに好ましく、水との混和性が悪いイオン液体は、接触充填状態のコロイド結晶ゲルを得るに好ましいことが確認された。
【０１０４】
試料１〜６の最長ブラッグ波長に注目すると、イオン液体の種類によって最長のブラッグ波長が異なる、すなわち格子定数が異なることが分かる。このことは、試料１〜６の非接触充填状態のコロイド結晶ゲルは、粒子体積分率が異なることを意味する。このように適宜イオン液体を選択することにより、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルが得られることが示された。
【０１０５】
特に、試料１および３の膨張率によれば、分散媒として水を用いたコロイド結晶ゲル（従来型コロイド結晶ゲル）の粒子体積分率よりもさらに小さな粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルが得られることが分かった。このことは、選択するイオン液体によっては、従来型コロイド結晶ゲルでは達成できなかった長波長領域についても、本発明によるコロイド結晶ゲルによって対応できることを示す。
【実施例１０】
【０１０６】
実施例１で得た試料１をスライドガラス上に配置し、過剰なイオン液体をろ紙にて除去した。その後、スライドガラス上の試料１を、８日間、大気に開放した状態で維持した。大気曝露前後の試料１の重量および透過スペクトルを測定した。結果を図７に示し詳述する。
【比較例１】
【０１０７】
分散媒としてイオン液体１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、エチレングリコールを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたエチレングリコールを含浸した円形試料片を試料１０と呼ぶ。実施例１０と同様に、試料１０を８日間大気曝露した。大気曝露前後の試料１０の重量および透過スペクトルを測定した。結果を図８に示し詳述する。
【０１０８】
図７は、実施例１０による試料１の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図である。
【０１０９】
図８は、比較例１による試料１０の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図である。
【０１１０】
図７に示されるように、分散媒としてイオン液体を用いた場合、コロイド結晶ゲル（試料１）を８日間大気曝露しても透過スペクトルには変化が見られなかった。同様に、８日間大気曝露しても試料１の重量変化は見られなかった。
【０１１１】
一方、図８に示されるように、分散媒としてエチレングリコールを用いた場合、コロイド結晶ゲル（試料１０）を８日間大気曝露すると、透過スペクトルの形状が乱れるとともに、不透過帯の極小値も明確にシフトした。また、８日間大気曝露すると試料１０の重量は半減した。
【０１１２】
以上から、本発明のコロイド結晶ゲルにおいて、分散媒としてイオン液体を用いることにより、分散媒の蒸発が生じない。その結果、蒸発による透過スペクトル等の光学特性の変化は生じないので、本発明のコロイド結晶ゲルを光学素子等に用いる場合も、特殊な密閉構造を必要としないことが示された。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明による液体が含浸されたコロイド結晶ゲルによれば、上記液体がイオン液体であることを特徴とする。イオン液体は、実質的に蒸気圧がないため、蒸発しない。これにより、本発明のコロイド結晶ゲルは密閉構造を不要とする。このようなコロイド結晶ゲルは、色材、化学センサ、歪センサ、ノッチフィルタ、分光素子、レーザ等の光学素子に利用可能である。特に、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、波長チューナビリティが要求される用途に好適である。また、本発明のコロイド結晶ゲルは、上記特性に加えて、導電性を併せ持つので、発光素子および太陽電池への応用も期待される。また、本発明のコロイド結晶ゲルは、分散媒がイオン液体であるため、大気下だけでなく、高温、高真空等の特殊な環境下においても、同様に、蒸発は生じないので、耐環境に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明によるコロイド結晶ゲル１００の模式図
【図２】本発明による種々の状態にあるコロイド結晶ゲルの模式図
【図３】本発明によるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図
【図４】粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図
【図５】粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造する別のフローチャートを示す図
【図６】本発明によるコロイド結晶ゲルを用いた光学素子の模式図
【図７】実施例１０による試料１の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図
【図８】比較例１による試料１０の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図
【符号の説明】
【０１１５】
１００、２１０、２２０、２３０ コロイド結晶ゲル
１１０ 粒子
１２０ 網目状高分子
１３０ イオン液体
６００ 光学素子
６１０、６２０、６３０ 光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されたコロイド結晶ゲル、その製造方法、および、それを用いた光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子が液体媒質に分散された微粒子分散液において、微粒子の単分散性（粒径の均一性）が高く、かつ、粒子体積分率が所定の値を上回ると、微粒子分散液中の微粒子（コロイド粒子）は、自己組織的に周期配列した状態をとることが知られている。このような状態にある微粒子分散液はコロイド結晶と呼ばれる。コロイド結晶は、電磁波に対するＢｒａｇｇ反射能に起因する特異な特性（フォトニックバンドギャップの形成、光群速度の異常分散等）を発現することから、フォトニック結晶の性質を利用した光学素子への応用が期待されている。
【０００３】
さらに、コロイド結晶中の微粒子の位置を、網目状高分子と液体媒質とからなる高分子ゲルで固定することによって、振動および温度変化等の環境からの外乱による粒子配列の乱れを抑制したコロイド結晶ゲルまたはゲル化コロイド結晶は公知である。中でも、本願発明者らは、液体媒質として有機溶媒を用いたコロイド結晶ゲルを開発した（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１によれば、有機溶媒として用いる多価アルコールは、水に溶解し、かつ、水の揮発性よりも低い揮発性を有するため、高分子ゲルが収縮することなく、水の蒸発によって生じるコロイド結晶ゲルの格子定数の変化が抑制され、長期的に安定な格子定数を有するコロイド結晶ゲルが提供できる。また、溶媒として二種以上の溶媒を用いることにより、粒子間ゲル組織の膨潤の程度（膨潤度）を調整し、格子定数の異なるコロイド結晶ゲルを提供できる。
【０００５】
しかしながら、例え有機溶媒として多価アルコールを用いたとしても、蒸発を完全に０にすることはできず、長期間にわたる特性の維持に限界があった。そのため、特許文献１に記載のコロイド結晶ゲルを長期保存する場合には、過剰の溶媒に共存させておく必要があり、取扱が面倒であった。また、特許文献１のコロイド結晶ゲルを光学素子に採用する場合には、コロイド結晶ゲル中の溶媒の蒸発を抑制するために、複雑かつ高価な密閉構造が必要であった。さらに、二種以上の溶媒を用いた際には、溶媒の種類に応じて蒸気圧が異なるため、溶媒の比率が経時変化する。その結果、コロイド結晶ゲルの格子定数を維持することが困難であった。以上より、コロイド結晶ゲルの取扱およびこれを用いた光学素子の構成を簡便にするため、密閉構造を不要とするコロイド結晶ゲルおよびそれを用いた光学素子が望まれていた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２４５２１号公報
【非特許文献１】北爪他著、コロナ社刊、イオン液体、ＩＳＢＮ４−３３９−０６６０７−９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、密閉構造を不要とするコロイド結晶ゲル、その製造方法、および、それを用いた光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明１のコロイド結晶ゲルは、高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されており、前記高分子ゲルにイオン液体が含有されていることを特徴とする。
発明２は、発明１のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が接触充填状態であることを特徴とする。
発明３は、発明２のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択されることを特徴とする。
発明４は、発明１のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が非接触充填状態であることを特徴とする。
発明５は、発明４のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択されることを特徴とする。
発明６は、発明１から５のいずれかのコロイド結晶ゲルを製造する方法であって、微粒子が自己組織的に周期配列された後に、前記高分子ゲルにイオン液体を含浸させることを特徴とする。
発明７は、発明６の方法において、前記イオン液体に加えて水を含む溶媒を含浸させ、前記含浸させた水を除去することを特徴とする。
発明８は、光の透過、反射、回折の制御又は周波数変換にコロイド結晶ゲルを用いる光学素子であって、前記コロイド結晶ゲルが、発明１から５の何れかのコロイド結晶ゲルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
近年、アニオンと有機カチオンとからなる有機塩であるイオン液体（またはイオン性液体ともいう）が注目されている（例えば、非特許文献１を参照）。イオン液体は、蒸気圧が実質的に０である、イオン性にも係わらず粘性が低い、耐熱性である、イオン伝導性が高い等の特徴を有する。本発明は、このような特徴を有するイオン液体を利用したものである。
【００１０】
イオン液体を上記各発明の通りに用いることで、前述の本来の機能を損なうことなく、コロイド結晶ゲルに適用することに成功した。その結果、イオン液体により、長年の課題であった乾燥による問題を解決することができた。
【００１１】
本発明のコロイド結晶ゲルを長期間保存する場合、および、これを光学素子に用いる場合であっても、コロイド結晶ゲル中の液体の蒸発を抑制するための密閉構造が不要となる。その結果、本発明のコロイド結晶ゲルの保存、および、これを用いた光学素子には、専用の密閉構造が不要となるので、取扱が簡便となることに加えて、既存の容器を適宜採用した安価な光学素子が提供される。さらには、光学素子の設計の自由度を飛躍的に向上させる。
【００１２】
本発明によるコロイド結晶ゲルの製造方法によれば、既存の粒子がゲルによって固定化されたコロイド結晶ゲルにイオン液体を含浸させるステップを包含することを特徴とする。イオン液体に含浸させるだけでよいので、操作が簡便である。また、既存の装置を利用できるので、安価に提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、同様の構成要素には同様の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明によるコロイド結晶ゲル１００の模式図を示す。
【００１５】
本発明によるコロイド結晶ゲル１００は、粒子（微粒子とも呼ぶ）１１０と、網目状高分子１２０と、イオン液体１３０とからなる。なお、網目状高分子が液体媒質を含んだ状態のものを高分子ゲルという。ここで、液体媒質は水や有機溶媒やイオン液体などである。当然のことながら、粒子１１０は、結晶構造を構成する周期配列を成しており、結晶学の原理に基づいて光のＢｒａｇｇ反射を示す。
【００１６】
粒子１１０は、コロイド粒子とも呼ばれ、例えば、シリカ粒子、ポリスチレン粒子、高分子ラテックス粒子、二酸化チタン等の酸化物粒子、金属粒子、異なる材料を組み合わせた複合粒子であるが、これらに限定されない。なお、複合粒子とは、２種類以上の異なる材料（材質）を組み合わせて構成されており、例えば、一方の材料が他方の材料でカプセル化されて、１つの粒子を形成しているもの、一方の材料が他方の材料に貫入して１つの粒子を形成しているもの、半球状の異なる材料が結合して１つの粒子を形成しているもの等を意味する。
【００１７】
粒子１１０の材料は、粒子１１０の屈折率と後述するイオン液体１３０の屈折率との差異から選択してもよい。粒子１１０の屈折率とイオン液体１３０の屈折率との差異が大きい場合（例えば、粒子１１０として屈折率１．５９のポリスチレンを、イオン液体１３０として屈折率１．４９の１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートを選択した場合）、ストップバンド（不透過帯）の半値幅の大きなコロイド結晶ゲルが得られる。粒子１１０の屈折率とイオン液体１３０の屈折率との差異が小さい場合（例えば、粒子１１０として屈折率１．４６のシリカを、イオン液体１３０として屈折率１．４９の１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートを選択した場合）、半値幅の小さいシャープな不透過帯を与えるコロイド結晶ゲルが得られる。このような材料の選択は、コロイド結晶ゲルが用いられる用途に応じて適宜選択され得る。
【００１８】
網目状高分子１２０は、重合性の水溶性分子（モノマーまたはマクロマー）が重合によって形成した高分子が架橋によって三次元的ネットワーク構造を構成した網目状の高分子である。網目状高分子１２０は、上述の粒子１１０の位置を固定し、維持するように機能する。このような水溶性分子は、例えば、アクリルアミド、または、各種アクリルアミド誘導体（Ｎ−メチロールメタアクリルアミド、Ｎ−メチロールアクリルアミド、Ｎ−アクリロイソアミノエトキシエタノール、Ｎ−アクリロイソアミノプロパノール、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドなど）が使用可能であるが、これらに限定されない。なお、本明細書において、特に断りを入れない限り、「網目状高分子」とは、重合性の水溶性分子の重合体によって形成された網目状高分子を意図するものとすることに留意されたい。
【００１９】
イオン液体１３０は、水および有機溶媒の代わりに分散媒（単に溶媒とも呼ぶ）として機能する。イオン液体１３０は、実質的に蒸気圧が０であるため、蒸発しない。そのため、本発明のコロイド結晶ゲル２００を保管する場合、または、光学素子に用いる場合に、分散媒の蒸発を防ぐために、コロイド結晶ゲル２００を密閉容器等の密閉構造に封止する必要はない。参考のため、表１に代表的なイオン液体とその特性（融点、動粘度、比重、屈折率、水との混和性、毒性）を示す。表１において「完全混和」とは、水との混和性が極めて良いことを示し、「部分混和」とは、水との混和性が悪いものの、一部混和することを示し、「非混和」とは、水と混和しないことを示す。
表１は種々のイオン液体の特性を示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
表１に示されるように、イオン液体は各種特性を有する。例えば、ＨＭＩＳ健康有害性レーティングに着目すれば、人体および環境への影響が懸念される状況下では、イオン液体の中でもレーティングの低いものを採用することが好ましい。イオン液体は、用途、必要な特性に応じて選択されるが、表１に示すイオン液体は例示であってこれに限定されないことは言うまでもない。
【００２２】
次に、本発明によるコロイド結晶ゲルの種々の状態を説明する。
【００２３】
図２は、本発明による種々の状態にあるコロイド結晶ゲルの模式図を示す。
【００２４】
図２（Ａ）は、接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２１０を示す。図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、いずれも非接触充填状態にあるコロイド結晶２２０および２３０を示す。
【００２５】
（Ｉ）接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル
図２（Ａ）のコロイド結晶ゲル２１０は、粒子１１０同士が互いに接触している、または、実質的に接触しているように配列した密充填の構造を模式的に示している。このような密充填の状態を接触充填状態とよぶ。
【００２６】
コロイド結晶ゲルが接触充填状態であるか否かは、粒子体積分率から判別できる。同一粒径の剛体球状粒子が接触して最密充填構造をとる場合は、理論的に粒子体積分率は７４％であることが知られている。実際の判定基準としては、理論的な最密充填状態より、粒子間距離が１０％程度大きなところまでは、「実質的に接触している」とするのが現実的である。この場合の粒子体積分率は約５５％である。そこで、本明細書において、粒子体積分率が５５％以上である場合を接触充填状態と判定する。ここで、粒子体積分率の上限は、イオン液体が含有される限り、７４％に限らない。これは、粒子が変形し、潰れることによって粒子体積分率が７４％以上の充填状態になることがあり得るためである。なお、このような状態もまた接触充填状態として扱うのが適当である。イオン液体を含浸させたコロイド結晶ゲルの粒子体積分率は、イオン液体含浸前の出発状態のコロイド結晶ゲルからの体積変化から容易に決定できる。出発状態のコロイド結晶ゲルの粒子体積分率は、作製条件から決めておくことができる。
【００２７】
接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２１０は、粒子１１０同士が（実質的に）接触しており、その間隙に網目状高分子１２０が位置する。イオン液体１３０は、網目状高分子１２０に浸透した状態で存在する。その結果、接触充填状態にあるコロイド結晶２１０においても、分散媒の蒸発が抑制されるので、コロイド結晶ゲル２１０の蒸発による特性変化を生じ得ない。
【００２８】
接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２１０におけるイオン液体１３０は、好ましくは、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択される。これらのイオン液体は水との混和性が悪いため、水溶性分子からなる網目状高分子１２０との親和性が悪く、網目状高分子１２０が収縮するように機能する。
【００２９】
このようなコロイド結晶ゲル２１０は、粒子１１０の周期配列による光の回折に基づく構造色を示す。このような構造色を利用して、コロイド結晶ゲル２１０は色材またはセンサに適用可能である。また、フォトニック結晶としての性質である、特定周波数を有する光の閉じ込め効果、または、複雑なフォトニックバンド構造に基づく周波数変換効果を利用した、レーザ素子としても適用され得る。
【００３０】
上述したように粒子１１０が密充填で配列されているため、コロイド結晶ゲル２１０は変形しにくく、安定である。したがって、接触充填状態にあるコロイド結晶２１０は、とりわけ、堅さが要求される環境下で使用する場合に好適である。また、網目状高分子１２０に、空気ではなくイオン液体１３０が浸透されているので、空隙などの構造欠陥の屈折率変化が小さい。その結果、構造欠陥による散乱を抑制した光学素子を提供できる。
【００３１】
（ＩＩ）非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル
図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０および図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０、すなわち、図２（Ａ）以外の状態にあるコロイド結晶ゲルは、いずれも、粒子１１０が周期的に配列した構造であるが、粒子１１０は互いに非接触である。このような状態を非接触充填状態と呼ぶ。コロイド結晶ゲルが非接触充填状態であるか否かは、上述したように、粒子体積分率が５５％未満であるか否かにより判別することができる。
【００３２】
非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２２０、２３０におけるイオン液体１３０は、好ましくは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択される。これらのイオン液体は水との混和性が良いため、網目状高分子１２０と親和し、網目状高分子１２０が膨張するように機能する。
【００３３】
図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示されるように、非接触充填状態にあるコロイド結晶の格子定数（例えば、ｄＢ、ｄＣ）は、接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルのそれ（例えば、ｄＡ）よりも大きい（ｄＢ、ｄＣ＞ｄＡ）。すなわち、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルでは達成できないより長波長領域の光学特性（Ｂｒａｇｇ波長、ストップバンド）を発現する。
【００３４】
図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示されるように、コロイド結晶ゲル２２０の格子定数ｄＢとコロイド結晶ゲル２３０の格子定数ｄＣとは、異なっており、関係ｄＢ＜ｄＣである。このように格子定数が異なる状態は、粒子体積分率が異なることを意味する。非接触充填状態のコロイド結晶ゲルであっても粒子体積分率が異なることにより、光学特性が異なる。具体的には、図２の下図に模式的に示すように、格子定数がｄＢからｄＣへと広がると、透過スペクトルの不透過帯の波長（すなわち、ストップバンド）がλＢからλＣへとシフトする。本発明によれば、分散媒としてイオン液体１３０を用いることにより種々の粒子体積分率（すなわち、種々の格子定数）を有するコロイド結晶ゲルを提供することができる。
【００３５】
次に、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルの構造について図２を参照してさらに詳述する。粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルは、（ｉ）イオン液体の選択または組み合わせによって、または、（ｉｉ）含有されるイオン液体の量を制御することによって達成される。それぞれの場合について、図２を参照して説明する。ここで、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０の粒子体積分率は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０の粒子体積分率よりも大きいものとする。
【００３６】
（ｉ）イオン液体の選択および組み合わせにより粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルについて
一定重量（溶媒を除いた重量）の網目状高分子１２０が内部に溶媒を含有して膨潤するとき、含有保持し得る溶媒（分散媒）量には上限がある。したがって、上限以上の溶媒と共存させてもコロイド結晶ゲルの体積は増加しない。このような飽和した膨潤状態を飽和膨潤状態と呼ぶ。また、飽和膨潤状態になるのに必要な溶媒量を飽和膨潤量と呼ぶ。当然のことながら、飽和膨潤状態にあるコロイド結晶ゲルは、それ以上膨潤しない、すなわち最大膨潤度を有する。
【００３７】
しかしながら、飽和膨潤量はイオン液体の網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）に応じて異なる。したがって、イオン液体の種類を適宜選択および／または組み合わせることにより、飽和膨潤状態であっても、コロイド結晶ゲルの体積を調整して、種々の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００３８】
ここで、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０は、大きな粒子体積分率を有し、かつ、飽和膨潤状態にあるとする。一方、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０は、コロイド結晶ゲル２２０に比較して相対的に小さな粒子体積分率を有し、かつ、飽和膨潤状態にあるとする。図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０の場合、イオン液体１３０は、網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）の低いイオン液体と親和性の高いイオン液体の組み合わせである。一方、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０の場合、イオン液体１３０は、網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）が高いイオン液体であるか、または、親和性の低いイオン液体と親和性が高いイオン液体と組み合わせである。
【００３９】
本発明によれば、イオン液体は実質的に蒸気圧が０であるため、異なる種類のイオン液体を適宜組み合わせて用いても、いずれのイオン液体も蒸発しないので、分散媒の蒸発に起因する組み合わせの混合比率の変化は生じない。すなわち、格子定数の変化は生じない。
【００４０】
このようなイオン液体１３０の選択の一例は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル１３０として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートがある。
【００４１】
一方、組み合わせおよび混合比率の一例は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０を満たすイオン液体１３０として、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートおよび１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドを９：１の比で組み合わせ、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０を満たすイオン液体１３０として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートおよび１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドを１：１の比で組み合わせる。なお、この選択および組み合わせは一例に過ぎず、当業者であればその改変は容易である。また、組み合わせは２種以上であってもよい。
【００４２】
当然のことながら、イオン液体１３０の選択および組み合わせによっては、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０よりも粒子体積分率が大きく、かつ、図２（Ａ）のコロイド結晶ゲル２１０よりも小さな粒子体積分率を有する飽和膨潤状態にあるコロイド結晶ゲルを得られることは言うまでもない。したがって、イオン液体１３０の選択および組み合わせを取捨選択することにより、コロイド結晶ゲルの格子定数を任意に制御（またはチューニング）できる。
【００４３】
また、イオン液体１３０は、水および有機溶媒とは異なるため、イオン液体１３０の種類によっては、飽和膨潤量の水（または有機溶媒）を含有するコロイド結晶ゲルの粒子体積分率よりも小さな粒子体積分率を有する（従って格子定数は大きくなる）コロイド結晶ゲルを得ることも可能である。
【００４４】
（ｉｉ）含有されるイオン液体の量を制御した粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルについて
コロイド結晶ゲルに含有されるイオン液体１３０が飽和膨潤量を満たさない場合、飽和膨潤状態より大きな粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルが得られる。このようなコロイド結晶ゲルを未飽和膨潤状態にあると言う。このように、意図的にイオン液体の含有量を制御することにより、未飽和膨潤状態にあり、かつ、種々の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００４５】
ここで、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０は、大きな粒子体積分率を有し、かつ、未飽和膨潤状態にあるとする。一方、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０は、小さな粒子体積分率を有し、かつ、未飽和膨潤状態にあるとする。この場合、図２（Ｂ）のコロイド結晶ゲル２２０が含有するイオン液体１３０の量は、図２（Ｃ）のコロイド結晶ゲル２３０が含有するイオン液体１３０の量よりも少ない。
【００４６】
当然のことながら、イオン液体１３０が飽和膨潤量を満たさない程度に応じて、コロイド結晶ゲル２２０とコロイド結晶ゲル２３０との間の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲル、あるいは、コロイド結晶ゲル２１０（図２（Ａ））とコロイド結晶ゲル２２０との間の粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。このように、意図的にイオン液体１３０が飽和膨潤量を満たさないようにすることにより、コロイド結晶ゲルの格子定数を任意に制御（またはチューニング）できる。
【００４７】
このような未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲルを満たすイオン液体１３０もまた、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択され得る。これらのイオン液体は水との混和性が良いため、網目状高分子１２０と親和し、網目状高分子１２０が膨張するように機能する。
【００４８】
特に、従来揮発性の溶媒を用いて未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲルを得た場合には、溶媒の蒸発により格子定数が変動し（すなわち、ストップバンドの位置が変動し）、不安定であったが、溶媒としてイオン液体１３０を用いることにより、蒸発による格子定数が変動することはなく、安定な未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００４９】
また、上記（ｉ）および（ｉｉ）を組み合わせても、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルが得られることは言うまでもない。
【００５０】
以上、非接触充填状態のコロイド結晶ゲルにおいて、膨潤度を変化させることにより、種々の格子定数（種々のストップバンド）を有するコロイド結晶ゲルが得られることを詳述してきた。次に、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルを変形させることによって、種々の格子定数を有するコロイド結晶ゲルが得られることについて説明する。
【００５１】
非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、網目状高分子１２０がイオン液体１３０を含有することによるゲル弾性（柔軟性）を有する。例えば、コロイド結晶ゲル２２０に圧縮応力を印加することによって、圧縮方向の格子定数を小さくすることができる。また、網目状高分子１２０が温度応答性を有する場合には、網目状高分子１２０の膨潤度を変え、格子定数ｄＢをｄＣに変化させるという、図２に示したような変化を、コロイド結晶ゲル２２０を加熱または冷却することにより、起こさせることができる。
【００５２】
これらの特性を生かして、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、光学式の圧力、温度、濃度等のセンサ素子、および、チューナブルな分光素子、レーザ、ノッチフィルタ等の光学素子に利用可能である。特に、格子定数の変化による光学特性の制御（チューニング）が都度要求されるような環境下において、非接触充填状態にあるコロイド結晶が好適である。当然のことながら、上記（ｉ）および（ｉｉ）と、ゲル弾性によるチューニングとを組み合わせてもよい。
【００５３】
本発明のコロイド結晶ゲルは、上記の特性に加えて、イオン液体１３０による導電性をも有し得る。このような導電性のコロイド結晶ゲルを用いて、発光素子および太陽電池等の応用が期待される。
【００５４】
次に、本発明によるコロイド結晶ゲルを製造する方法を説明する。
【００５５】
（実施の形態２）
図３は本発明によるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図である。
【００５６】
ステップＳ３１０：粒子１１０が網目状高分子１２０によって固定化されたコロイド結晶ゲルを提供する。ここで、粒子１１０および網目状高分子１２０は、実施の形態１で説明したとおりである。ステップＳ３１０のコロイド結晶ゲルは、乾燥していてもよいし、分散媒を含有していてもよい。なお、分散媒を含有する場合には、イオン液体を除く、水、有機溶媒等既存の任意の分散媒である。コロイド結晶ゲルは、例えば、特許文献１を参照して作製してもよい。本発明によるコロイド結晶ゲルとステップＳ３１０で提供されたコロイド結晶ゲルとを便宜上区別するため、以降では、ステップＳ３１０で提供されたコロイド結晶ゲルを“従来型コロイド結晶ゲル”と称する。
【００５７】
ステップＳ３２０：従来型コロイド結晶ゲルにイオン液体１３０を含浸させる。ここで、イオン液体１３０は、実施の形態１で説明したとおりである。「含浸」とは、従来型コロイド結晶ゲルとイオン液体１３０とを接触させる任意の手段を意図し、例示的には、従来型コロイド結晶ゲルをイオン液体１３０に浸漬させること、従来型コロイド結晶ゲルにイオン液体１３０を滴下すること等である。例えば、含浸条件は、大気圧中室温にて１０時間〜２４時間である。このように、本発明の方法によれば、単に、従来型コロイド結晶ゲルにイオン液体１３０を含浸させるだけで、自発的に従来型コロイド結晶ゲルにおける分散媒と、イオン液体１３０とが置換する。その結果、実施の形態１を参照して説明したコロイド結晶ゲル１００が得られる。
【００５８】
なお、製造効率の観点から、ステップＳ３２０において、加熱しながら含浸させてもよい。これにより、従来型コロイド結晶ゲルが分散媒を含有する場合には、分散媒の揮発を促進させるので、分散媒とイオン液体１３０との置換が加速し得る。加熱温度は、従来型コロイド結晶ゲルの分散媒の種類に応じて異なるが、例えば、分散媒として水を用いる場合には、４０℃〜１００℃の温度範囲が好ましい。この範囲であれば、粒子１１０の配列を乱すことなく、分散媒のみが揮発し得る。
【００５９】
また、製造効率の観点から、ステップＳ３２０において、減圧雰囲気下または除湿雰囲気下において含浸させてもよい。これにより、従来型コロイド結晶ゲルが分散媒を含有する場合には、分散媒の揮発を促進させるので、分散媒とイオン液体１３０との置換が加速し得る。圧力または湿度は、従来型コロイド結晶ゲルの分散媒の種類に応じて異なるが、例えば、分散媒として水を用いる場合には、４ｋＰａ以下の減圧雰囲気または４０％以下の湿度範囲が好ましい。この範囲であれば、常圧で通常湿度の環境下に比べて、分散媒の揮発の加速について有効な効果が期待しうる。当然のことながら、ステップＳ３２０において、減圧雰囲気下または除湿雰囲気下にて従来型コロイド結晶ゲルを加熱してもよい。
【００６０】
次に、接触充填状態のコロイド結晶ゲル２１０（図２（Ａ））および非接触充填状態のコロイド結晶ゲル２２０、２３０（図２（Ｂ）、（Ｃ））を得る場合の好適な製造プロセスを詳述する。
【００６１】
（Ｉ）接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルを製造するプロセスについて
再度図３を参照する。
【００６２】
ステップＳ３１０に続いて、ステップＳ３２０を行う。ただし、ステップＳ３２０において、イオン液体１３０として、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択されるイオン液体を選択すればよい。これらのイオン液体は、網目状高分子１２０に対して親和性が悪い。その結果、従来型コロイド結晶ゲル中の分散媒とイオン液体１３０とが置換する際、網目状高分子１２０が収縮することになる。このようにして、図２（Ａ）に示されるコロイド結晶ゲル２１０が得られる。
【００６３】
（ＩＩ）非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル
（ｉ）イオン液体の選択および組み合わせにより粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するプロセスについて
再度図３を参照する。
【００６４】
ステップＳ３１０に続いて、ステップＳ３２０を行う。ただし、ステップＳ３２０において、イオン液体１３０は、好ましくは、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択される。
【００６５】
これらのイオン液体は水との混和性が高く、すなわち、網目状高分子１２０に対する親和性（あるいは膨潤性）が高く、図２（Ｂ）または（Ｃ）のような小さな粒子体積分率のコロイド結晶ゲル２２０あるいは２３０を得ることができる。ただし、得られる粒子体積分率の定量的な値は、選択されるイオン液体の種類／組み合わせによって、変化するので、様々な中間的な粒子体積分率の状態のコロイド結晶ゲルを得ることができる。さらには、水との混和性の高い上記群のイオン液体と、（Ｉ）に挙げた、水との混和性の低いイオン液体とを組み合わせることによっても、同様に、中間的な粒子体積分率の状態のコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００６６】
なお、このようなイオン液体１３０の選択および組み合わせは、実施の形態１で詳述したように、目的とするコロイド結晶ゲルの粒子体積分率に応じて行われる。
【００６７】
（ｉｉ）含有されるイオン液体の量を制御した粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するプロセスについて
図４は、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図である。
【００６８】
ステップＳ３１０：図３のステップＳ３１０と同一であるため説明を省略する。
【００６９】
ステップＳ４１０：ステップＳ３１０で提供された従来型コロイド結晶ゲルの分散媒が水、有機溶媒等の揮発性溶媒である場合、従来型コロイド結晶ゲルを乾燥させる。ここで、乾燥は、従来型のコロイド結晶ゲルを加熱下、減圧雰囲気下または除湿雰囲気下にさらせばよい。なお、加熱、減圧雰囲気および除湿雰囲気の条件は、上述のとおりである。
【００７０】
ステップＳ４２０：図３のステップＳ３２０と同様にイオン液体１３０に乾燥コロイド結晶ゲルを含浸させる。この場合も、イオン液体１３０は、上記（ｉ）で説明した群から選択されるが、イオン液体１３０を飽和膨潤量よりも少ない任意の量に設定するか、または、コロイド結晶ゲルが飽和膨潤状態になる前に含浸を適宜中断する。これにより、含浸されるイオン液体の量が未飽和膨潤量となるように制御されるので、種々の未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲル、すなわち、種々の粒子体積分率（格子定数）を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００７１】
例えば、図２（Ｂ）のような大きな粒子体積分率のコロイド結晶ゲル２３０を得る場合、乾燥した従来型コロイド結晶ゲルに、飽和膨潤量より少ない量のイオン液体１３０を含浸させればよい。なお、含浸量は、予め各種イオン液体とその飽和膨潤量（未飽和膨潤量）との関係を調べておけば、容易に設定できる。
【００７２】
なお、ステップＳ３１０において従来型コロイド結晶ゲルがすでに乾燥している場合には、ステップＳ４１０を省略し、ステップＳ４２０に移動してもよい。
【００７３】
図５は、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造する別のフローチャートを示す図である。
【００７４】
ステップＳ３１０：図３のステップＳ３１０と同一であるため説明を省略する。
【００７５】
ステップＳ５１０：図３のステップＳ３２０においてイオン液体１３０に加えて水を含む以外は同一である。すなわち、イオン液体１３０と水とを所定の比率で混合した分散媒に従来型コロイド結晶ゲルを含浸させる。所定の比率とは、得たい粒子体積分率（格子定数）に応じて異なるが、水が多いと粒子体積分率の大きなコロイド結晶ゲルが得られ、水が少ないと粒子体積分率の小さなコロイド結晶ゲルが得られる。なお、このようなイオン液体と水との比率は、予め各種イオン液体とその飽和膨潤量（未飽和膨潤量）との関係を調べておけば、容易に設定できる。ステップＳ５１０によれば、イオン液体１３０と水とが所定の比率で、かつ、飽和膨潤量で含浸されたコロイド結晶ゲルが得られる。なお、この場合も、イオン液体１３０は、上記（ｉ）で説明した群から選択される。
【００７６】
ステップＳ５２０：ステップＳ５１０で得られたイオン液体１３０と水とを含浸したコロイド結晶ゲル中の水を除去する。水の除去は、図４のステップＳ４１０と同様に行えばよい。これにより、含浸されるイオン液体の量が制御された未飽和膨潤量となるので、種々の未飽和膨潤状態のコロイド結晶ゲル、すなわち、種々の粒子体積分率（格子定数）を有するコロイド結晶ゲルを得ることができる。
【００７７】
なお、ステップＳ５１０では水に特化して説明したが、水以外にも揮発性の有機溶媒を用いてもよいが、入手のしやすさ、ステップＳ５２０の除去の容易さの観点から水が好ましい。
【００７８】
また、精度よく粒子体積分率が制御されたコロイド結晶ゲルを得るためには、ステップＳ３１０で提供されるコロイド結晶ゲルは乾燥しているか、または、ステップＳ３１０の後に、かつ、ステップＳ５１０に先立って、従来型コロイド結晶ゲルを乾燥させてもよい（すなわち、図４のステップＳ４１０）。
【００７９】
（実施の形態３）
図６は、本発明によるコロイド結晶ゲルを用いた光学素子の模式図である。
【００８０】
光学素子６００は、ノッチフィルタとして機能する。光学素子６００は、実施の形態１で説明したコロイド結晶ゲルを用いたものである。ここでは、光学素子６００は、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲル２３０（図２）を用いたものである。コロイド結晶ゲル２３０は、波長λＣを中心とするストップバンドを有する。コロイド結晶ゲル２３０は、例えば、ガラス基板上に配置される。コロイド結晶ゲル２３０は、実施の形態１で説明したように、含有される分散媒がイオン液体１３０（図１、図２）であるため、蒸発を抑制するための密閉容器に封止される必要はない。
【００８１】
次に、光学素子６００を用いたノッチフィルタの動作を説明する。
【００８２】
光学素子６００に少なくとも波長λＣを有する光６１０を入射する。上述したように、光学素子６００のコロイド結晶ゲル２３０の格子定数はｄＣであり、波長λＣを中心としたストップバンドを有するので、光学素子６００に入射した光６１０は、光学素子６００のコロイド結晶ゲル２３０に進み、コロイド結晶ゲル２３０において波長λＣを中心とする狭い波長幅の光６２０のみ反射される。一方、波長λＣを中心とする狭い波長幅以外の波長を有する光６３０は、コロイド結晶ゲル２３０を進み、光学素子６００から出射する。このようにして、ごく狭い帯域の光（ここでは波長λＣを中心とする狭い波長幅の光６２０）のみを反射／カットすることができる。
【００８３】
なお、実施の形態３では、例示として、単一の非接触充填状態のコロイド結晶ゲルを利用したノッチフィルタを開示したが、この様態に限定されない。例えば、粒子体積分率の異なる複数のコロイド結晶ゲルを用いて同様のノッチフィルタを構築してもよい。
【００８４】
当然のことながら、本発明のコロイド結晶ゲルの用途はノッチフィルタに限定されない。コロイド結晶ゲルの構造色を利用した色材、化学センサおよび歪センサ、コロイド結晶ゲルのストップバンドを利用した分光素子、レーザ等の光学素子に利用可能である。特に、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、上記光学特性に加えて、粒子が接触していないことによる変形容易性を持つため、波長チューナビリティが要求される用途に好適である。
【００８５】
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。
【実施例１】
【００８６】
従来型コロイド結晶ゲルを準備した（図３のステップＳ３１０）。詳細には、粒子１１０としてポリスチレン粒子（粒径２００ｎｍ）を水に分散した粒子分散液（Ｄｕｋｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、型式５０２０Ｂ）を粒子体積分率約１６％に調整し、イオン交換樹脂（Ｂｉｏ−Ｒａｄ社製、型式ＡＧ５０１−Ｘ８）を投入し、脱塩処理を行った。これにより、コロイド結晶状態の分散液を得た。次いで、分散液とゲル化液とを８：２の割合で混合し、反応液を得た。なお、ゲル化液は、重合化モノマーとして３０ｗｔ％のＮ−メチロールアクリルアミド（Ｎ−ＭＡＭ）、架橋剤として３ｗｔ％のＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド（Ｂｉｓ）、および、濃度０．５ｍｇ／ｍＬの重合開始剤（アゾビス〔２−メチル−Ｎ（２−ヒドロキシエチル）プロピオンアミド〕）含む水溶液である。これらが、紫外線照射によって光重合して網目状高分子１２０となる。
【００８７】
次いで、得られた反応液を特許文献１に記載の方法により、厚さ０．１ｍｍの単結晶性の従来型コロイド結晶ゲルを作製した。従来型コロイド結晶ゲルは膜状であり、得られた膜から直径７ｍｍφの円形試料片を切り出した。なお、切り出した円形試料片は、水中に浸漬させ水で膨潤した状態である。なお、円形試料片における水の飽和膨潤量は約３μＬであった。
【００８８】
その後、円形試料片をイオン液体、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに含浸させた（図３のステップＳ３２０）。含浸は、円形試料片を約１００μＬの上記イオン液体に２４時間浸漬させて行った。浸漬直後、円形試料片のサイズ変化が目視にて確認された。これは、円形試料片中の水がイオン液体と置換しているためである。なお、このようなサイズ変化は、約２０時間の浸漬により安定した。このようにしてイオン液体を含浸した円形試料片を試料１と呼ぶ。
【００８９】
試料１の粒子体積分率を測定した。まず、試料１の直径を測定し、分散媒として水を用いたコロイド結晶ゲルからなる円形試料片の直径（７ｍｍφ）で除した値（膨張率と呼ぶ）を求め、サイズ変化が等方的である（厚さ方向の膨張率も直径方向のそれと等しい）と仮定して、初期の水膨潤状態における粒子体積分率（１３％）から、当該イオン液体含浸状態における粒子体積分率を計算により求めた。これらの結果を表２に示す。
【００９０】
次いで、試料１の透過スペクトルを測定し、最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。測定には、平面分光測定装置ＩｍＳｐｅｃｔｏｒＶ１０、ＫａｗａｓａｋｉＳｔｅｅｌ Ｔｅｃｈｎｏ−ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐ．、Ｃｈｉｂａ、Ｊａｐａｎを用いた。結果を表２に示す。
【実施例２】
【００９１】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料２と呼ぶ。試料２について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例３】
【００９２】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料３と呼ぶ。試料３について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例４】
【００９３】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料４と呼ぶ。試料４について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例５】
【００９４】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料５と呼ぶ。試料５について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例６】
【００９５】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料６と呼ぶ。試料６について、実施例１と同様に、膨張率、粒子体積分率および最長のＢｒａｇｇ波長を求めた。結果を表２に示す。
【実施例７】
【００９６】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料７と呼ぶ。試料７について、実施例１と同様に、膨張率および粒子体積分率を求めた。結果を表２に示す。
【実施例８】
【００９７】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料８と呼ぶ。試料８について、実施例１と同様に、膨張率および粒子体積分率を求めた。結果を表２に示す。
【実施例９】
【００９８】
イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたイオン液体を含浸した円形試料片を試料９と呼ぶ。試料９について、実施例１と同様に、膨張率および粒子体積分率を求めた。結果を表２に示す。
【００９９】
表２には、実施例１〜９で用いた各種イオン液体の水との混和性についても示す。表２において、水と完全混和する場合を「○」とし、それ以外（水との混和性が悪い）を「×」としている。
表２は、実施例１〜９のイオン液体の種類およびコロイド結晶ゲルの特性を示す。
【０１００】
【表２】
【０１０１】
水と完全混和するイオン液体を用いた試料１〜６（実施例１〜６）の粒子体積分率が１０％〜２５％であることから、試料１〜６は非接触充填状態のコロイド結晶ゲルであることが分かった。
【０１０２】
一方、水との混和性が悪いイオン液体を用いた試料７〜９（実施例７〜９）の粒子体積分率が６２％より大きかった。また、試料７〜９を目視観察したところ、いずれも透明であり、イオン液体が含有されることを確認した。このことから、試料７〜９は、接触充填状態のコロイド結晶ゲルであることが分かった。
【０１０３】
以上より、水との混和性が良いイオン液体は、非接触充填状態のコロイド結晶ゲルを得るに好ましく、水との混和性が悪いイオン液体は、接触充填状態のコロイド結晶ゲルを得るに好ましいことが確認された。
【０１０４】
試料１〜６の最長ブラッグ波長に注目すると、イオン液体の種類によって最長のブラッグ波長が異なる、すなわち格子定数が異なることが分かる。このことは、試料１〜６の非接触充填状態のコロイド結晶ゲルは、粒子体積分率が異なることを意味する。このように適宜イオン液体を選択することにより、粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルが得られることが示された。
【０１０５】
特に、試料１および３の膨張率によれば、分散媒として水を用いたコロイド結晶ゲル（従来型コロイド結晶ゲル）の粒子体積分率よりもさらに小さな粒子体積分率を有するコロイド結晶ゲルが得られることが分かった。このことは、選択するイオン液体によっては、従来型コロイド結晶ゲルでは達成できなかった長波長領域についても、本発明によるコロイド結晶ゲルによって対応できることを示す。
【実施例１０】
【０１０６】
実施例１で得た試料１をスライドガラス上に配置し、過剰なイオン液体をろ紙にて除去した。その後、スライドガラス上の試料１を、８日間、大気に開放した状態で維持した。大気曝露前後の試料１の重量および透過スペクトルを測定した。結果を図７に示し詳述する。
【比較例１】
【０１０７】
分散媒としてイオン液体１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテートに代えて、エチレングリコールを用いた以外は、実施例１と同様のため、説明を省略する。なお、得られたエチレングリコールを含浸した円形試料片を試料１０と呼ぶ。実施例１０と同様に、試料１０を８日間大気曝露した。大気曝露前後の試料１０の重量および透過スペクトルを測定した。結果を図８に示し詳述する。
【０１０８】
図７は、実施例１０による試料１の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図である。
【０１０９】
図８は、比較例１による試料１０の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図である。
【０１１０】
図７に示されるように、分散媒としてイオン液体を用いた場合、コロイド結晶ゲル（試料１）を８日間大気曝露しても透過スペクトルには変化が見られなかった。同様に、８日間大気曝露しても試料１の重量変化は見られなかった。
【０１１１】
一方、図８に示されるように、分散媒としてエチレングリコールを用いた場合、コロイド結晶ゲル（試料１０）を８日間大気曝露すると、透過スペクトルの形状が乱れるとともに、不透過帯の極小値も明確にシフトした。また、８日間大気曝露すると試料１０の重量は半減した。
【０１１２】
以上から、本発明のコロイド結晶ゲルにおいて、分散媒としてイオン液体を用いることにより、分散媒の蒸発が生じない。その結果、蒸発による透過スペクトル等の光学特性の変化は生じないので、本発明のコロイド結晶ゲルを光学素子等に用いる場合も、特殊な密閉構造を必要としないことが示された。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明による液体が含浸されたコロイド結晶ゲルによれば、上記液体がイオン液体であることを特徴とする。イオン液体は、実質的に蒸気圧がないため、蒸発しない。これにより、本発明のコロイド結晶ゲルは密閉構造を不要とする。このようなコロイド結晶ゲルは、色材、化学センサ、歪センサ、ノッチフィルタ、分光素子、レーザ等の光学素子に利用可能である。特に、非接触充填状態にあるコロイド結晶ゲルは、波長チューナビリティが要求される用途に好適である。また、本発明のコロイド結晶ゲルは、上記特性に加えて、導電性を併せ持つので、発光素子および太陽電池への応用も期待される。また、本発明のコロイド結晶ゲルは、分散媒がイオン液体であるため、大気下だけでなく、高温、高真空等の特殊な環境下においても、同様に、蒸発は生じないので、耐環境に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明によるコロイド結晶ゲル１００の模式図
【図２】本発明による種々の状態にあるコロイド結晶ゲルの模式図
【図３】本発明によるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図
【図４】粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造するフローチャートを示す図
【図５】粒子体積分率の異なるコロイド結晶ゲルを製造する別のフローチャートを示す図
【図６】本発明によるコロイド結晶ゲルを用いた光学素子の模式図
【図７】実施例１０による試料１の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図
【図８】比較例１による試料１０の大気曝露前後の透過スペクトルを示す図
【符号の説明】
【０１１５】
１００、２１０、２２０、２３０ コロイド結晶ゲル
１１０ 粒子
１２０ 網目状高分子
１３０ イオン液体
６００ 光学素子
６１０、６２０、６３０ 光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されたコロイド結晶ゲルであって、前記高分子ゲルにイオン液体が含有されていることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項２】
請求項１に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が接触充填状態であることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項３】
請求項２に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択されることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項４】
請求項１に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が非接触充填状態であることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項５】
請求項４に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択されることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のコロイド結晶ゲルを製造する方法であって、微粒子が自己組織的に周期配列され高分子ゲルにより固定化された後に、前記高分子ゲルにイオン液体を含浸させることを特徴とする、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記イオン液体に加えて水を含む溶媒を含浸させ、前記含浸させた水を除去することを特徴とする、方法。
【請求項８】
光の透過、反射、回折の制御又は周波数変換にコロイド結晶ゲルを用いる光学素子であって、前記コロイド結晶ゲルが、請求項１から５の何れかに記載のコロイド結晶ゲルであることを特徴とする、光学素子。
【請求項１】
高分子ゲル中に微粒子が自己組織的に周期配列されたコロイド結晶ゲルであって、前記高分子ゲルにイオン液体が含有されていることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項２】
請求項１に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が接触充填状態であることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項３】
請求項２に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルフォニルイミド、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムクロライド、および、トリヘキシルテトラデシルフォスフォニウムジシアナミドからなる群から選択されることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項４】
請求項１に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記微粒子の配列が非接触充填状態であることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項５】
請求項４に記載のコロイド結晶ゲルにおいて、前記イオン液体は、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムアセテート、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムクロライド、１−メチル−３−オクチルイミダゾリウムクロライド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド、および、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネートからなる群から選択されることを特徴とする、コロイド結晶ゲル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のコロイド結晶ゲルを製造する方法であって、微粒子が自己組織的に周期配列され高分子ゲルにより固定化された後に、前記高分子ゲルにイオン液体を含浸させることを特徴とする、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記イオン液体に加えて水を含む溶媒を含浸させ、前記含浸させた水を除去することを特徴とする、方法。
【請求項８】
光の透過、反射、回折の制御又は周波数変換にコロイド結晶ゲルを用いる光学素子であって、前記コロイド結晶ゲルが、請求項１から５の何れかに記載のコロイド結晶ゲルであることを特徴とする、光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２９２９０８（Ｐ２００９−２９２９０８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４６８２７（Ｐ２００８−１４６８２７）
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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