化学的エネルギーの直接変換により運動する機能性マイクロ／ナノロボットの構築

• Project/Area Number: 14J02405
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nano/Microsystems
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 吉積 義隆 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2016: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2015: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: マイクロ／ナノロボット / 電気浸透流 / 磁性材料 / 外部磁場 / 陽極酸化ポーラスアルミナ / 電析 / 光触媒 / マイクロロボット / ナノロボット / 自己電気浸透流 / 高分子電解質 / 交互積層法 / 変形構造 / 誘電泳動 / 静電誘導交流電気浸透流

Outline of Annual Research Achievements

生体中にはナノスケールで自律的運動や機械的仕事を行う様々な分子機構が存在し、高度かつ複雑な生命現象を支えている。このような天然ナノマシンに匹敵する素子を人工的に構築できれば、細胞工学や材料工学における有用なツールとなると期待される。こうした機能性のデバイスの創製に向けた試みが近年盛んになされているが、柔軟な分子構造が協同的に機能する天然ナノマシンのような多様な動作や高効率な仕事をさせるに至っていない。天然のナノマシンに倣い、構造中に可動部位（関節様構造）を組み込むことが有効な方策として考えられるが、そのような構造の作製は従来のフォトリソグラフィー等の微細加工技術のみでは一般的に困難であり、実験的な知見はほとんど得られていない。
そこで本研究では、関節構造を持つマイクロモータの構築手法を提案し、周囲の環境に応答した変形運動といった単純な並進運動を超えた高度な運動性の実現を図った。
本モータは、陽極酸化ポーラスアルミナ内で電析させた酸化銅(I)／金／ニッケルマイクロロッドを基本構造としている。ここで、ニッケル部位は外部磁場により予め磁化されており、例えば、２本の酸化銅(I)／金／ニッケルロッドを近接させることでニッケル部位同士を結合させ、関節構造を持つマイクロモータを形成することができる。本モータを純水中で観察すると、ブラウン運動による接合部のゆらぎが観察された。このことより、この関節が可動的なものであることが分かる。さらに、紫外光照射下での過酸化水素水溶液における酸化銅(I)／金上での電気化学反応による自発駆動力と、外部磁場の印加との組み合わせにより、関節構造の可逆的な開閉運動が実現された。
以上は、可動部位を持つ構造の作製法とその力学的挙動の実験的評価手段を提供するものである。これにより、高度な運動性を有するマイクロモータの構築の一つの道筋が示されるものと考えられる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] グルノーブル工科大学(Grenoble INP/MINATEC)/電子情報技術研究所(LETI)(フランス)
• [Journal Article] Programmed Transport and Release of Cells by Self-Propelled Micromotors (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Kyohei Okubo, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Journal Title: Langmuir Volume: 32 Issue: 37 Pages: 9381-9388
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b04206
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Trajectory Control of Self-Propelled Micromotors Using AC Electrokinetics (2015)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Thibault Honegger, Kevin Berton, Hiroaki Suzuki, David Peyrade
  • Journal Title: Small Volume: 11 Issue: 42 Pages: 5630-5635
  • DOI: 10.1002/smll.201501557
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Self-Deformable Micro/nanomotors with Organic-Inorganic Hybrid Structures (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: The 11th Annual IEEE Internatinal Conference on Nano/Micro Engineered & Molecular Systems
  • Place of Presentation: ホテル松島大観荘（宮城県宮城郡松島町）
  • Year and Date: 2016-04-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Self-powered Micromotors with Tethered Hybrid Structures for Sophisticated Mechanical Motion (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: EMN Meeting on Bioenergy 2016
  • Place of Presentation: Phuket, Thailand
  • Year and Date: 2016-04-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Self-Deformable Micromotors with Organic-Inorganic Hybrid Structures (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: 2016 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • Place of Presentation: Phoenix, Arizona, USA
  • Year and Date: 2016-03-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高次な運動挙動発現を目指した柔軟構造を有するマイクロモータの構築 (2016)
  • Author(s): 吉積義隆、横川雅俊、鈴木博章
  • Organizer: 平成28年 電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-16
• [Presentation] Self-powered Micromotors with Tethered Hybrid Structures for Sophisticated Mechanical Motion (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: EMN Meeting on Bioenergy 2016
  • Place of Presentation: Holiday Inn Resort Phuket（タイ・プーケット）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Self-Deformable Micro/Nanomotors with Organic-Inorganic Hybrid Structures (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: The 11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered & Molecular Systems
  • Place of Presentation: ホテル松島大観荘（宮城県松島町）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Self-stretchable micromotors powered by electrochemical reactions (2015)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: The 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACIFICHEM)
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機／無機ハイブリッド構造を有する自己伸張型マイクロモータ (2015)
  • Author(s): 吉積義隆、横川雅俊、鈴木博章
  • Organizer: 第32回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-10-28
• [Presentation] 柔軟構造を有する自己伸張マイクロモータの構築 (2015)
  • Author(s): 吉積義隆、横川雅俊、鈴木博章
  • Organizer: 2015年電気化学秋季大会
  • Place of Presentation: 埼玉工業大学（埼玉県深谷市）
  • Year and Date: 2015-09-11
• [Presentation] Self-stretchable micromotors powered by electrochemical reactions (2015)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: Interdisciplinary Workshop on Science and Patents 2015 (IWP 2015)
  • Place of Presentation: 筑波大学（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞輸送・脱離機能を有するマイクロモータの構築 (2015)
  • Author(s): 吉積義隆、伊達雄亮、横川雅俊、鈴木博章
  • Organizer: 平成27年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 東京都市大学 世田谷キャンパス（東京都世田谷区）
  • Year and Date: 2015-03-24
• [Presentation] 化学的エネルギーにより自発駆動する機能性マイクロモータの構築 (2015)
  • Author(s): 吉積義隆、伊達雄亮、横川雅俊、鈴木博章
  • Organizer: 第10回つくばナノテク拠点シンポジウム
  • Place of Presentation: 筑波大学（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-03-06
• [Presentation] Development of Functional Micromotors Actuated by Electrochemical Reactions (2014)
  • Author(s): Yoshitaka Yoshizumi, Masatoshi Yokokawa, Hiroaki Suzuki
  • Organizer: 2014 Tsukuba Nanotechnology Symposium (TNS’14)
  • Place of Presentation: 筑波大学（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-07-25
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Bio-Microsystem Laboratory (鈴木・横川研究室webページ)
  • URL: http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~szk_fkd_lab/