自励発振ゲルを用いた化学ダイオードの作成

• Project/Area Number: 15655067
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Functional materials/Devices
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉田 亮 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (80256495)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2005: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2004: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2003: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 高分子ゲル / N-イソプロピルアクリルアミド / 刺激応答性高分子 / 自励振動 / ベローソフ・ジャボチンスキー反応 / 振動反応 / 非線形科学 / インテリジェント材料 / 非線形科化学 / 非線形化学

Research Abstract

本研究では、心臓の拍動のように一定条件下で自発的な周期的リズム運動を行う新しい「自励振動ゲル」を開発した。生体の代謝反応(TCA回路)の化学モデルにもなっている、循環する反応回路を持つベローソフ・ジャボチンスキー反応(BZ反応)をゲル内で引き起こし、その化学エネルギーを力学エネルギーに転換する分子設計を行うことによりゲルの周期的な膨潤収縮振動を生み出すことに成功した。本研究では、とくに情報伝達素子への応用という立場から、ゲル内に生じる化学反応波の伝播の解析とそれを利用した材料システム構築に関する基礎的検討を行った。ゲルが化学反応波の波長以上のサイズになると、反応と拡散のカップリングによって化学反応波が生まれる。酸化状態のときゲルは膨潤するので、波の伝播と共に局所的な膨潤領域が一定速度でゲル中を伝播することになる。すなわちゲル組織の中で蠕動運動のような膨潤・収縮振動が生じる。近年、コロイド結晶を鋳型にして作成した多孔質ゲルが膨潤度に応じた構造色を発現する性質を名大・竹岡らが明らかにしているが、この合成手法を自励振動ゲルに適用し、蠕動運動の可視化に成功した。またこのようなゲルの自律的運動を応用したデバイスとして、表面に微細な突起構造を有するゲルアレイ(人工繊毛)が作成された。さらに界面活性剤を用いた乳化重合法により、100nmオーダーサイズのナノゲル微粒子を作成し、ナノオーダーでの膨潤収縮振動を起こすことに成功した。動的光散乱装置を用いて粒径変化の振動を測定し、ゲル微粒子と従来のバルクゲルを比較した。これら結果より、マイクロ・ナノシステムの環境下において自励振動ゲルの膨潤挙動がどのように影響を受けるかを検討し、ゲル微粒子の最適な適用条件を探った。またこれらのゲル微粒子を基板上に配列させ、化学反応波に伴う膨潤収縮変化を起こすことにより表面に添加した物質を輸送する機能性表面(コンベア型搬送システム)の設計を行った。

Research Products

• [Journal Article] Self-oscillating soluble-insoluble changes of polymer chain including an oxidizing agent induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction (2005)
  • Author(s): Y.Hara, T.Sakai, S.Maeda, S.Hashimoto, K.Yoshida
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B 109(49) Pages: 23316-23319
• [Journal Article] Design of surfactant-grafted hydrogels with fast response to temperature (2005)
  • Author(s): Y.Noguchi, K.Okeyoshi, R.Yoshida
  • Journal Title: Marcomol.Rapid Commun. 26 Pages: 1913-1917
• [Journal Article] Biomimetic gel exhibiting self-beating motion in ATP solution (2005)
  • Author(s): R.Yoshida, Y.Uesusuki
  • Journal Title: Biomacromolecules 6(6) Pages: 2923-2926
• [Journal Article] Control of oscillating behavior for the self-oscillating polymer with pH-control site (2005)
  • Author(s): Y.Hara, R.Yoshida
  • Journal Title: Langmuir 21(21) Pages: 9773-9776
• [Journal Article] Phase transition behaviors of self-oscillating polymer and nano-gel particles (2005)
  • Author(s): T.Sakai, Y.Hara, R.Yoshida
  • Journal Title: Marcomol.Rapid Commun. 26 Pages: 1140-1144
• [Journal Article] Self-oscillation of polymer chains induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction under acid-free conditions (2005)
  • Author(s): Y.Hara, R.Yoshida
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B 109(19) Pages: 9451-9454
• [Journal Article] Design of functional polymer gels and their application to biomimetic materials (2005)
  • Author(s): R.Yoshida
  • Journal Title: Curr.Org.Chem. (in press)
• [Journal Article] Glucose-responsive polymer gel bearing phenylborate derivative as a glucose-sensing moiety operating at the physiological pH (2004)
  • Author(s): A.Matsumoto, R.Yoshida, K.Kataoka
  • Journal Title: Biomacromolecules 5 Pages: 1038-1045
• [Journal Article] Self-oscillating nanogel particles (2004)
  • Author(s): T.Sakai, R.Yoshida
  • Journal Title: Langmuir 20(4) Pages: 1036-1038
• [Journal Article] Kinetics in cyclic hydrogel systems (2004)
  • Author(s): R.Yoshida
  • Journal Title: Reflexive Polymers and Hydrogels : Understanding and Designing Fast-Responsive Systems(N.Yui, K.Park, eds.) Pages: 143-164
• [Journal Article] Design of chemo-mechanical actuator using self-oscillating gel (2004)
  • Author(s): S.Maeda, S.Hashimoto, R.Yoshida
  • Journal Title: Proc.IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO2004) Pages: 313-313
• [Journal Article] 新しい生体機能材料を目指した高分子ゲルの設計とそのマイクロ加工 (2004)
  • Author(s): 吉田 亮
  • Journal Title: 成形加工 16(10) Pages: 638-642
  • NAID: 10014098110
• [Book] ゲルの構造と物性(構造および膨潤・収縮の理論)(基礎高分子科学高分子学会編) (2005)
  • Author(s): 吉田 亮
  • Publisher: 東京化学同人(印刷中)
• [Book] 高分子先端材料One Point 2高分子ゲル (2004)
  • Author(s): 吉田 亮
  • Total Pages: 131
  • Publisher: 共立出版
• [Publications] T.Sakai, R.Yoshida: "Self-oscillating nanogel particles"Langmuir. 20(4). 1036-1038 (2004)
• [Publications] Y.Takeoka, M.Watanabe, R.Yoshida: "Self-sustaining peristaltic motion on the surface of a porous gel"J.Am.Chem.Soc.. 125(44). 13320-13321 (2003)
• [Publications] Y.Ito, M.Nogawa, R.Yoshida: "Temperature Control of the Belousov-Zhabotinsky Reaction Using a Thermoresponsive Polymer"Langmuir. 19(23). 9577-9579 (2003)
• [Publications] S.Sasaki, S.Koga, R.Yoshida, T.Yamaguchi: "Mechanical oscillation coupled with the Belousov-Zhabotinsky reaction in gel"Langmuir. 19(14). 5595-5600 (2003)
• [Publications] R.Yoshida, K.Takei, T.Yamaguchi: "Self-beating motion of gels and modulation of oscillation rhythm synchronized with organic acid"Macromolecules. 36(6). 1759-1761 (2003)
• [Publications] 吉田 亮: "化学振動反応を利用した自励振動ゲルの設計"Electrochemistry(電気化学および工業物理化学). 71(5). 337-341 (2003)
• [Publications] 吉田 亮: "高分子ゲル(高分子先端材料One Point)"共立出版(印刷中). (2004)