らくらく化学実験」/Fun Chemistry Experiment


     液晶、でしょ!

「実験概要」
ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)で虹のような光を観察する

「キーワード」
構造色 偏光 液晶 高分子化合物 


「画 像」
サンプル管にHPCを封じてみた:デジカメではよく写らないが実際にはもっと絶妙な色合いが観察できる。まるでタマムシの羽根のよう!


「動画1」


「準 備」「実験操作」「補足」「注意事項」

WEB非公開

「よく観察してみると」

材料のヒドロキシプロピルセルロース(HPC)は白いふかふかした物質で、これに水を加えても、始めはぱさぱさしていて本当に混じるのかなという感じです。でも、根気強く練っていると次第にどろどろした粘り気のある糊になってきます。小さなサンプル管に入れてしばらく放置しておくと早ければ数時間経過後には虹のように鮮やかな色がうっすらと観察できるようになります。光の当て方や観察方向の角度を変えてみると、色合いが違って見えるので、おそらくは光をプリズムに通したときと似たような現象なのだろうと察しはつきそうです。思わず、オーロラやアワビやサザエの貝殻や真珠、宝石のオパール、色鮮やかな体色を持つ甲虫や南国の蝶々などを連想してしまいます。私個人としては、最初サンプル管に輝く多彩な光の線を見たときに昆虫の玉虫(タマムシ)を思い出しました。玉虫も、最近はすっかり見かけなくなりましたが、確か光の当たり方で色の感じが違っていたような気がします。ただ、含ませる水の量や温度によって微妙に光の色が変わるので、これがまたオーロラのように絶妙です。一定の水の割合、温度の範囲でしか色がつかないので、分子の構造と光の波長が関係しているようです。

1. 液晶が作り出す虹のような光

材料のヒドロキシプロピルセルロース(HPC)は高分子化合物であるセルロース[C6H10O5]n の水酸基を酸化プロピレンででエーテル化し、プロピルヒドロキシル基(-OCH2CH(OH)CH3)を多数持つ物質。このHPCが一定の水を含んだ状態は、「液晶」という特別な状態となっています。「液晶」とは、固体が溶解して液体になる前に固体結晶と液体のいずれとも異なる中間の状態を取るもので主に3種類(スメクティック液晶・ネマティック液晶・コレステリック液晶)に分類されています。その中で、細長い高分子が一定方向に並んで構成(配向)する層構造が隣り合う層が少しずつねじれてらせん構造を作ることがあります。この状態の液晶を「コレステリック液晶」といい、ねじれの角度がちょうど一(360°)回転したときの分子層の厚みを「らせん(螺旋)ピッチ=P」と呼んでいます。この「らせんピッチP」に光が当たると特定波長の光だけが反射されるという選択反射という現象が起こります。ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)は、この選択反射を起こしやすい物質で、反射される光の波長がちょうど人が見ることのできる範囲(可視光線)となると色のついた光(波長:約380-780nm)となって観察されるのです。また、らせんピッチの幅が微妙に違っていると、そのピッチに応じた波長が反射されるので、様々な色が発せされて、虹のような光がが見えるというわけです。

2. 水分や温度によって色が変わる

このドロキシプロピルセルロース(HPC)の面白いところは、水分や温度によって色が変化するところにあります。水分が少ないと紫色で、水分が多くなるに従って青〜高呈するという具合です。さらに橙〜赤と変化していきますが、これはらせんピッチが水分の含量が多くなることで広がり、より長波長(橙〜赤色)の光を選択反射することによるものです。また、温度を上げていくと、水分を増やしていくときと同様の効果で、やはり橙〜赤が現れやすくなります。温度上昇で分子の熱運動が活発化し、ピッチが広がることによるものでしょう。これらの性質は、液晶温度計にも利用されています。

さて、液晶といえば、パソコンやテレビ、時計文字の表示パネルが思い出されますね。液晶と電気の関係はこれまた興味深く、液晶をつくる分子全体の中で誘電率が違っていることによる挙動が利用されているものです。誘電率の差異により電圧をかけた際に分子が特定の方向に配向するので、光の透過をコントロールすることができるのです。実際には、偏光というもう少し複雑な光の性質を併せて利用されているのですが、現代の科学にとって欠くことができない技術となっています。

 


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