ポリピロール

ポリピロール

ポリピロール（Polypyrrole、略称: PPy）は、ピロールという有機分子を重合させて作られる高分子化合物の一種です。その化学式はH(C4H2NH)nHで表される固体として存在します。このポリピロールは、そのままの状態では電気を通しにくい絶縁体ですが、酸化処理を施すことで電気を流す性質を持つ、いわゆる「導電性高分子」へと変化します。

歴史

ポリピロールに関する初期の研究は、1963年にワイス（Weiss）とその共同研究者らによって報告されています。彼らは、テトラヨードピロールを加熱分解することで、導電性を示す物質が得られることを記述しました。導電性高分子の研究はその後大きく進展し、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレンなどの分野における顕著な業績に対して、2000年にノーベル化学賞が授与されています。

合成法

ポリピロールは、主にピロール分子を酸化させることによって合成されます。化学的な合成では、塩化鉄(III)（FeCl3）などの酸化剤を用いる方法が一般的です。

n C₄H₄NH + 2n FeCl₃ → (C₄H₂NH)n + 2n FeCl₂ + 2n HCl

この反応は、ピロールからπラジカルカチオンという不安定な中間体が生成し、これが他のピロール分子の特定の位置を攻撃するという連鎖的な過程を経て進行すると考えられています。このプロセスが繰り返されることで、ポリピロール鎖が成長していきます。

電気伝導性を持たせるためのポリピロール（ドープされたPPy）は、合成と同時に、あるいは合成後に酸化（「pドーピング」と呼ばれます）を行うことで得られます。

(C₄H₂NH)n + 0.2 X → [(C₄H₂NH)nX₀.₂]

この重合とドーピングは、電気化学的な手法によっても効率的に行うことができます。この場合、電解液中でピロールを電気分解することで、アノード（陽極）表面に導電性のポリピロール膜が生成し、これを剥がして利用します。サイクリックボルタンメトリーやクロノクーロメトリーといった電気化学測定法が、合成プロセスの制御に用いられます。

物性

ポリピロールの膜は、酸化されていない状態では黄色ですが、空気中で徐々に酸化されると色が濃くなります。導電性を持たせるためにドーピングされた膜は、重合度や膜の厚さによって青色や黒色に見えます。構造的には特定の結晶構造を持たないアモルファス状態であり、X線回折像でも弱いピークしか示しません。高分子鎖は完全に直線的な1次元構造ではなく、一部に架橋や不規則性があるため、「準1次元的」な性質を持つと表現されることがあります。

ドーピングの有無にかかわらず、ポリピロール膜は一般的に多くの溶媒に溶けませんが、特定の溶媒中では膨らむ性質（膨潤性）を示します。ドーピングを行うと、材料の物理的な強度が低下してもろくなる傾向が見られます。熱安定性に関しては、空気中でおよそ150℃までは比較的安定ですが、この温度を超えるとドーパント成分が分解や変化を始めることがあります。

導電性

前述のように、本来は絶縁体であるポリピロールは、酸化されてドーピングされることで優れた導電体へと変化します。材料の導電率は、合成やドーピングを行う際の条件、使用する酸化剤やドーパントの種類によって大きく変動し、その値は概ね2から100 S/cmの範囲に及びます。特に高い導電性は、トシレートイオンのような比較的大きな陰イオンをドーパントとして用いた場合に得られやすいことが知られています。高分子鎖にドーパント（電荷を補償するアニオン）を取り込ませる際には、材料内部にドーパント分子が入るための空間が必要となり、これに伴って材料が膨潤する性質があります。

このドーピングに伴う電荷の出入りとそれによる膨潤・収縮といった物理的な変化は、電気信号に応答して変形する「人工筋肉」としての応用可能性が検討される理由の一つです。また、ポリピロール膜の表面は複雑なフラクタル構造を示すことがあり、このような構造を持つ膜を介したイオンの拡散は、通常の物質における拡散とは異なる特異な挙動を示すことが分かっています。

主な用途と応用研究

ポリピロールをはじめとする導電性高分子は、主に電子デバイスや化学センサーといった分野で実用化されています。

現在も幅広い分野での応用研究が進められています。例えば：

薬物を特定の場所へ運ぶドラッグデリバリーシステムにおいて、薬物（特にタンパク質など）を保持する高分子マトリックスとしての利用が期待されています。
燃料電池のカソード電極において、触媒を担持する材料として研究されており、触媒の性能向上に貢献する可能性が示されています。
ポリアニリンなど他の共役高分子と共に、電気信号で駆動する「人工筋肉」の構成材料としても盛んに研究されています。
シリカや逆相シリカといった材料の表面をポリピロールでコーティングすることで、陰イオン交換機能と疎水性相互作用を併せ持つ分離材料を作り出す研究が行われています。
マイクロ波を用いた多層カーボンナノチューブ製造プロセスにおいて、カーボンナノチューブの成長を促進する材料として利用された例があります。
耐水性ポリウレタンスポンジにポリピロールの薄層をコーティングした材料は、水中にある油を効率的に吸収し、繰り返し使用可能な油吸収材として注目されています。
化学的な手法で合成したポリピロールを用い、湿式紡績によって導電性の高い繊維を作製する技術も開発されています。

ポリピロールは、その導電性や多様な機能性から、有機半導体を含む幅広い分野で重要な材料として位置づけられています。

関連項目

有機半導体
* テトラピロール

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