科学大好き!アイラブサイエンス!このブログでは、最新科学の?をなるべくわかりやすくコメントします。
 私たちがあたりまえのように使っているCDやDVD。あのディスクに音楽や映像はどうやって記録するのだろうか? 

 CD・DVDに記録するしくみは、記録用の強いレーザー光線で記録層にある物質の構造を変化させ、データを記録する。

 強いレーザー光を当てることで、記録層の色素を分解したり、相変化材料の結晶状態を変化させたりして、記録マークを作るしくみだ。

 


CD・DVDの記録に使われるフォトクロミック物質、「ジアリールエテン」

 

 CD・DVD-Rの場合、この記録マークは有機色素を分解して作られるものなので、データを記録した部分は元に戻すことはできない。

 CD・DVD-RWでは、レーザー光線によって、記録層にある結晶の形が可逆的に変わる。

 このような光や他の刺激で物質の構造が変わることを「クロミズム」という。例えば理科実験で使う、リトマス紙は「酸・アルカリ」の刺激で物質の構造が変わるので、色が変わるしくみである。BTBなどの指示薬はすべて「クロミズム」である。

 今回、「光(紫外線)」という刺激で固い結晶構造が変わる物質「ジアリールエテン」が発見された。発見したのは立教大の入江教授らのグループ。このように光の刺激で構造の変わるしくみを「フォトクロミズム」という。

 今日は、「クロミズム」「フォトクロミズム」について調べる。 (参考HP Wikipedia)

有機化合物:光当てたら結晶変形 九大、大阪市立大が発見


 有機化合物の結晶に、紫外線を当てると一瞬で縮み、可視光線を当てると元通りに伸びることを、入江正浩・立教大教授(前九州大教授)ら九大と大阪市立大の研究グループが見つけた。

 長さ0.3ミリの棒状の結晶をバットのように使い、微小なガラス球を「打つ」実験にも成功した。光で変形する物質はいくつかあるが、固い結晶では初めて。ミクロレベルの動力源に使える可能性があるという。英科学誌ネイチャーに論文が掲載された。 

 結晶は、研究グループが以前に開発し、「ジアリールエテン」と名づけた物質。光を当てると結色が変わることが分かっていた。今回は、長さ0.3ミリの結晶を作り、先端近くに小さなガラス球を置いて、右から紫外線を当てる実験をした。

 すると25マイクロ秒(マイクロは100万分の1)で、結晶の右側の紫外線が当たった部分だけ、長さが約10%縮んだ。結晶は右に曲がり、ガラス球をはじき飛ばした。

 可視光線を当てると結晶は再び伸びた。伸び縮みの理由を調べると、光の影響で分子構造が変化したためだと分かった。

 入江教授は「強固なはずの結晶が変形するのに驚いた。これを使えば非接触で微小な物を操れる。極小のピンセットなど、ナノテク(微細なものを取り扱う科学技術)に応用できそうだ」と話している。(毎日新聞 2007年4月14日)

クロミズムとは?


 クロミズム (Chromism) とは、物質の色が外部からの刺激によって可逆的に変化する現象のこと。

 クロミズムを示す物質のことをクロミック物質(あるいはクロミック材料、Chromic Material)という。 多くの場合、クロミズムは分子のπ軌道やd軌道の電子状態が変化するために引き起こされる。

 クロミズムを示す物質は天然にも存在しており、また目的とする色変化を示すように分子設計された人工物質も多く合成されている。

 クロミズムを起こす原因としては、熱・光・電気・溶媒和・圧力などが知られている。 金属錯体などが、環境や外部刺激により可逆的に変色する場合を、クロモトロピズム(Chromotropism)と呼ぶこともある。

さまざまなクロミズム


 サーモクロミズム・サーモクロミズム (Thermochromism) は温度によって引き起こされるクロミズムで、最も一般的である。この現象を利用して、「気温が上がると自動的に日光を通さなくするガラス」などが開発されている。

 フォトクロミズムフォトクロミズム (Photochromism) は光によって引き起こされるクロミズムである。多くの場合、光によって分子が異性化することによって生じる。 フォトクロミック物質は、光ディスクなどの記憶材料への応用が可能であるため、盛んに研究が行われている。アゾベンゼン・スピロピラン・ジアリールエテンが有名である。

 エレクトロクロミズムエレクトロクロミズム (Electrochromism) は電気的に引き起こされる酸化還元反応によって生じるクロミズムである。金属イオンなどのレドックス活性部位をもつ物質で見られる。 エレクトロクロミック物質は、電気的に色を変えられるので、記憶材料やディスプレイ材料などのへの応用研究が行われている。

 ソルバトクロミズム (Solvatochromism) は、色素、あるいは金属錯体の溶液について、溶媒(solvent)の種類によりその色が変わるクロミズムのことである。この現象は、溶質分子の電子軌道のエネルギー準位が、溶媒分子の極性や屈折率、水素結合などの分子間相互作用の強弱により影響を受けて安定化もしくは不安定化し、吸収される光の波長が変わることであらわれる。

 金属錯体のソルバトクロミズムでは、溶媒和(溶媒分子が金属に配位すること)の有無や電子のスピン状態の変化、それらにともなう配位場の変化によることも多い。

 また、ソルバトクロミズムが特に顕著な色素を、ソルバトクロミック色素と呼ぶ。

 身近なソルバトクロミック物質としては、脱水剤などに含まれている塩化コバルト(II)がある。塩化コバルト(II)は無水状態あるいは有機溶媒中では青いが、水が存在すると赤くなるため、湿度を知る目安として広く利用されている。 これら 2種の金属錯体は、ともに有機溶媒中においてサーモクロミズム特性をも示す。

 その他上記のほかに、圧力により色が変わるピエゾクロミズム、溶媒蒸気の作用により色が変わるベイポクロミズムなども、それらの特性を有する物質が知られている。

ジアリールエテンとは?


 ジアリールエテン (diarylethene) は、2つの芳香族有機基がエテン(エチレン)の 1, 2 位にそれぞれ結合した化合物を示す呼称。その名称だけからはスチルベンなども含まれるが、近年は特に、効率の高いフォトクロミック反応を示す 1,2-ジチエニルエテンの誘導体群を指す呼称として用いられる。

 1988年に九州大学の入江正浩らによってはじめて合成・報告された。 ジアリールエテンのエテン部と1,2位の置換基は、適切な波長の光を照射することによって閉環し、六員環状構造を形成する。反対に、環状のジアリールエテンに別の波長の光を照射すると、開環してもとの構造に戻る。

 構造を適切に修飾することで、開環・閉環構造での色や、変化に必要な光の波長を変化させることができる。 ジアリールエテンは他のフォトクロミック物質(アゾベンゼンなど)に比べて繰り返し特性や両異性体の熱安定性に優れ、また結晶状態でも可逆的にフォトクロミック現象を示すなどの特性を持つ。光によって可逆的読み書きする大容量メディア(DVDなど)への応用が考えられている。
 

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