SAMURAI - NIMS Researchers Database

HOME > Profile > FUDOUZI, Hiroshi

External affiliations

  • 名古屋工業大学 連携大学院教授

Research

Keywords

Colloidal crystals, opal films, structural color, photonic crystals

Colloidal particles with uniform particle sizes are widely used as building blocks for constructing functional optical materials. Colloidal particles dispersed in a solvent self-assemble during an evaporation-induced aggregation process, driven by electrostatic interactions, capillary forces, and van der Waals forces, to form colloidal crystals with long-range order. The resulting colloidal crystals are broadly classified into two types: non-contact colloidal crystals, in which particles are arranged while maintaining a certain distance between them, and close-packing colloidal crystals, in which particles form a close-packed structure. These exhibit different optical properties depending on particle size, interparticle distance, and refractive index contrast. Since colloidal crystals possess periodic structures on the order of light wavelengths, they exhibit unique optical functions such as selective reflection based on Bragg diffraction, stopband gaps (SBG), and even photonic bandgaps, enabling the control of light propagation and localization. Consequently, they are expected to find applications in advanced optical devices such as photonic crystals, optical filters, sensors, and laser resonators. Furthermore, by utilizing selective reflection in the visible light range, they are also being utilized as structural color materials that do not require dyes. On the other hand, to suppress iridescence—a challenge in the practical application of structural color materials—aggregates of colloidal particles with amorphous or glassy structures lacking long-range order have also been developed in recent years. By utilizing scattering phenomena derived from short-range order, these materials can achieve non-iridescent structural colors that are independent of the observation angle, and their application in inks, paints, and cosmetics is currently being pursued. This figure schematically illustrates the process in which colloidal particles serve as the starting point to form ordered structures through self-organization, and the optical functions derived from these structures are utilized to develop structural color materials and photonic crystal materials.

researchPicture

Figure: Concept of nanophotonic material formation via colloidal self-assembly

PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.

Books
Presentations

Society memberships

粉体工学会, 高分子学会, 日本セラミックス協会, 日本化学会コロイド界面部会

Awards

  • ホソカワ粉体工学財団奨励賞 (2009)

Funds

  • 粉体工学情報センター研究助成 (2024)
  • 大倉和親記念財団研究助成 (2024)
  • ホソカワ粉体工学振興財団 (2017)
  • 池谷科学技術振興財団 (2008)
  • 天田金属加工機械振興財団 (2006)
  • ホソカワ粉体工学振興財団 (2004)
Research Center for Electronic and Optical Materials
Title

高品質コロイド結晶薄膜塗工とスマート構造色機能材料

Keywords

懸濁粒子,自己集積,コロイド結晶,フォトニック結晶,構造色,ブラッグ回折,センサー材料,塗工プロセス

Overview

粒子径の揃ったコロイド粒子が規則配列したコロイド結晶は最密型及び非最密型の2つに分類され、NIMSでは両タイプのコロイド結晶を対象としプロセス技術や構造色材料に関する先駆的な研究を行ってきた。例えば、フォトニックラバーは変形によって構造色が可逆的に変色する弾性材料でゴムシート上にコーティングした新材料である。一方、インフラ構造物のひび割れや塑性変形を色変化として視認できる歪み可視化シートを開発した。急増している高齢化インフラ構造物の異常を目視やスマホで簡単・簡便に検査する新技術としての応用が期待される。その基盤となる均質・均一で結晶性の高いコロイド結晶薄膜を1000cm2に成膜するプロセス技術を確立している。

Novelty and originality

コロイドフォトニック結晶の成膜プロセス(面心立方格子(111)面配向、積層数制御)
A3スケールサイズまで大型化及び湾曲面への塗工成膜(ラボレベル対応)
応力や歪みを構造色で可視化する新材料フィルム(変形による構造色変化を視認)
実用化機能付与:歪み可視化シート(耐候性)、フォトニックラバー(耐久性)
コロイド粒子懸濁液の製造(粒子濃度:10wt%ー20ℓ、任意粒径:150〜450nm)

Details

image

【左:オイル被覆法によるコロイド結晶薄膜塗工】 
A:高品質コロイド結晶薄膜の縦型成膜装置。内挿写真は界面付近の拡大部。乳白色コロイド懸濁液から溶媒蒸発による濃縮に伴うアルダー相転移により非最密型のコロイド結晶が形成。赤色から緑色へ構造色の変化(粒子間隔の縮小)、最終的に最密充填型のコロイド結晶薄膜を形成。基板は固定され、ステージに搭載された懸濁液タンクが下方に移動によりコロイド結晶薄膜を基板上に形成する。ステージの駆動制御は一定速度選択と結晶化を反射分光ファイバーで計測し、ステージ駆動にフィードバックする2種類の制御方式。
B:A3サイズにスケールアップした成膜装置。さらに、ステージ駆動を使用しないポンプ吸引方式の塗工装置も開発済み。

【コロイド結晶薄膜による構造色材料】
A:同軸照射撮影、熱可塑性(PVC)シートにポリスチレンコロイド粒子とシリコーンエラストマーで構成されるコロイド結晶薄膜。シートの加熱変形で構造色を赤色から青色まで選択可能、構造色は可視光領域のブラッグ回折ピーク、波長位置のシフトで構造色も変化。
B:フォトニックラバー、弾性変形で構造色が可逆的に変化する。繰り返し変形に対する耐久性試験を実施、25万回の繰り返し伸長後でもフォトニックラバーとしての機能することを確認。
C:歪み可視化シート、コンクリート橋梁での現場施工、曲げ試験で生じたひび割れを緑色に変色、屋外に暴露して供用する歪み可視化シートでは表面保護層を形成(暴露試験で約5年の耐候性を確認)。

image

Summary

A3スケールサイズの高品質コロイド結晶薄膜、フォトニックラバー、歪み可視化シートなどの試験片供与を行っている。また、成膜プロセスの技術移転も可能。構造色だけでなく、近赤外領域を含むフォトニックバンドギャップによる光学フィルターなどへの応用も期待できる。現在、工学応用として量産化の基盤となる、ロール・ツゥ・ロールの連続成膜プロセスの基礎技術の確立を目指している。

この機能は所内限定です。
この機能は所内限定です。

▲ Go to the top of this page