孔雀の羽の発色機構

雄の孔雀の羽を見たことはありますか? 非常に鮮やかな色の羽を持つことで有名な孔雀ですが、実はこの色は、色素由来ではなく構造由来の色、すなわち構造色であることがわかっています。

構造色とは、微細構造に光が当たった際の光の干渉や回折、散乱によって発現する色のことで、身近な例だと、シャボン玉やCD、貝殻の裏側の色などが挙げられます。孔雀の羽には、メラニン顆粒という私たちの髪やイカ墨中に含まれる黒褐色の粒子が規則的に配列しています。その配列に光が当たると構造色が発現するのですが、孔雀の羽の場合には、メラニン顆粒の黒色が余分な散乱光を吸収するため、非常に鮮やかな構造色となります。

しかし、メラニン顆粒は生体内で複雑な酵素反応を経て合成されているため、人工的に作るのは困難です。もし、メラニン顆粒を模倣したコロイド粒子を人工的に合成することができれば、孔雀の羽のような鮮やかで視認性の高い構造色が発現することができるかもしれません。

雄の孔雀の羽

メラニン顆粒を模倣したコロイド粒子の作製

当研究グループではこれまでに、メラニンの前駆体であるドーパの模倣物質「ドーパミン」を重合して、サイズの均一な「ポリドーパミン黒色粒子」の作製に成功しました。この粒子は、メラニン顆粒とほぼ同じ組成の材料で、ポリドーパミン黒色粒子のみを用いて構造色を発現できることを見出しました。しかし、構成成分すべてを黒色のポリドーパミンで作製したコロイド粒子は、黒色度が高すぎるため固体状態での発色が暗くなってしまうといった課題がありました。そこで私たちは、この課題を解決するために、「単一材料」かつ「黒色度が制御可能」なコロイド粒子の作製を目指しました。

本研究では、汎用高分子であるポリスチレン粒子をコアとし、その粒子にポリドーパミンを被覆したポリスチレン@ポリドーパミンコア-シェル粒子を作製しました。ポリドーパミンシェルの膜厚は、モノマーであるドーパミンの仕込み濃度に依存するため、膜厚を制御することで、黒色度を容易に制御することができました。

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黒色度を制御したコロイド粒子を用いた構造発色

コアのサイズやシェルの膜厚を変化させたコア-シェル粒子を用いて、下図のような構造色ペレットを作製しました。一番左端の列に示した、ポリスチレン粒子のみで作製したペレットは光の散乱が大きすぎるため、乳白色を発現したのに対し、わずか数ナノメートルのポリドーパミンを被覆しただけで、黒色のポリドーパミンが余分な散乱光を吸収してくれるため、視認性が劇的に向上しました。また、コア粒子のサイズとポリドーパミンシェルの膜厚を変えることで、現在使われているほぼ全ての色を再現することに成功しました。

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虹色構造色と単色構造色

コア-シェル粒子のシェルの膜厚を変化させることで、粒子表面の粗さを制御することができます。コア-シェル粒子は、ポリスチレンコア粒子の周りにポリドーパミンが堆積していくことで作製されますが、モノマーの濃度が高くなると、堆積量が増え、粒子表面の凹凸が大きくなります。

ポリドーパミンシェルの膜厚が薄いとき、つまり粒子表面の凹凸が小さく滑らかなとき、粒子は規則正しく周期的に配列します。それに対して、膜厚が厚いとき、粒子表面は粗くなるので、規則正しく配列することが物理的に困難になり、アモルファスに配列します。この配列の違いによって、構造色の見えかたに違いが出てきます。周期的な配列に光が当たると、見る角度により色が可変な角度依存性のある「虹色構造色」を発現するのに対して、アモルファスな配列に光が当たると、どの角度から見ても色の変わらない「単色構造色」を発現します。この違いはシェルの膜厚により生じるため、角度依存性の有無は容易に作り分けることができます。

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今後の展望

今回、黒色度が制御可能なコア-シェル粒子を作製し、視認性の高い鮮やかな構造色材料を紹介しました。構造色とは、構造由来の色であるため、構造が崩れない限り変色や褪色しません。本研究で作製したコア-シェル粒子を用いることで、色褪せせず、角度依存性など構造色独特の光沢を有するインク色材への応用を目指していきたいと考えています。

参考文献

  • S. Yoshioka, and S. Kinoshita, Forma, 2002, 17, 169
  • J. Zi, X. Yu, Y. Li, X. Hu, C. Xu, X. Wang, X. Liu, and R. Fu, PNAS., 2003, 100, 12576
  • M. Kohri, Y. Nannichi, T. Taniguchi, and K. Kishikawa, J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 720
  • A. Kawamura, M. Kohri, G. Morimoto, Y. Nannichi, T. Taniguchi, and K. Kishikawa, Sci. Rep., 2016, 33984.

この記事を書いた人

河村彩香

千葉大学大学院工学研究科共生応用化学専攻修士2年です。高分子化学や微粒子合成を専攻しており,現在は,孔雀の羽の色を模倣した構造色材料の開発などバイオミメティックな分野にも手を出しています。色素や顔料を用いない世界初の構造色インクの開発を目指して研究を行っています。