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構造の明確な高分子ゲルにおける高分子網目と溶媒分子の動的挙動の解明

Research Project

Project/Area Number 19J22561
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 35020:Polymer materials-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

藤藪 岳志  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords高分子ゲル / Tetra-PEG gel / 協同拡散現象 / 高分子網目の拡散係数 / 水透過現象 / 高分子網目と溶媒の間の摩擦係数 / 高分子網目のダイナミクス / せん断弾性率
Outline of Research at the Start

高分子ゲル (以下、ゲル) は、高い柔軟性・物質透過性・含水率といったユニークな特徴を持っており、多分野での応用が期待されている。本研究では、極めて均一な網目構造を持つTetra-PEG gelを用い、ゲルの網目構造が、1. 高分子網目の熱揺らぎ (協同拡散現象)、2. ゲル内外にわたる水分子の透過現象、3. ゲル内部における水分子の拡散現象、に及ぼす影響を評価する。理論モデルに基づく各現象の本質的な理解や、各物性値の比較による各現象の相関関係の理解を通して、ゲルにおける高分子網目と溶媒分子の動的挙動の解明に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

高分子ゲル (以下、ゲル) は、高い柔軟性・物質透過性といったユニークな特徴を持っており、多分野での応用が期待されている。しかし、従来のゲルは不均一な網目構造を有するため、その基礎物性の完全な理解は達成されていない。本研究では、極めて均一な網目構造を持ち、様々な網目構造パラメータを独立に制御可能なTetra-PEG gelを用い、ゲルにおける高分子網目と溶媒分子の動的挙動の解明を目指す。
昨年度までに、研究計画発案時に予定していた、1. 高分子網目の熱揺らぎ (協同拡散現象)、2. ゲル内外にわたる水分子の透過現象、3. ゲル内部における水分子の拡散現象の解明を完了した。本年度は、ゲルにおける高分子網目と溶媒分子の動的挙動の理解を更に発展させるために、現象2の支配法則の普遍性を探求した。ゲルの物性に大きな影響を及ぼす4種類のパラメータ (温度・溶媒の質・架橋点分岐数・固定電荷) を新たに導入した検証の結果、新たに導入した4種類のパラメータを変化させても、現象2の支配法則が普遍的に成立することが示された。さらに、モデルゲルであるTetra-PEG gelだけでなく、世間で広く用いられているフリーラジカル重合により作製されるゲルにおいても、現象2の支配法則が普遍的に成立することが示された。以上の内容をまとめた博士論文は高く評価され、2021年度東京大学大学院工学系研究科長賞(研究)を受賞した。また、温度変化に関する研究結果は、物理学の専門誌として最も権威があるPhysical Review Letter誌に英語原著論文として受理され、複数の機関からプレスリリースされるなど注目を集めた。
本研究により、ゲルにおける高分子網目と溶媒分子の動的挙動の理解が達成された。さらに、本研究で導かれた法則の普遍性も確認された。以上の結果は、ゲルの基礎物性研究の学術的発展に大きく寄与するものである。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Tri-branched gels: Rubbery materials with the lowest branching factor approach the ideal elastic limit2022

    • Author(s)
      Takeshi Fujiyabu, Naoyuki Sakumichi, Takuya Katashima, Chang Liu, Koichi Mayumi, Ung-il Chung, Takamasa Sakai
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Issue: 14 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1126/sciadv.abk0010

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Temperature Dependence of Polymer Network Diffusion2021

    • Author(s)
      Takeshi Fujiyabu, Takamasa Sakai, Ryota Kudo, Yuki Yoshikawa, Takuya Katashima, Ung-il Chung, Naoyuki Sakumichi
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 127 Issue: 23 Pages: 237801-237801

    • DOI

      10.1103/physrevlett.127.237801

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mixing and Elastic Contributions to the Diffusion Coefficient of Polymer Networks2020

    • Author(s)
      Junhyuk Kim, Takeshi Fujiyabu, Naoyuki Sakumichi, Takuya Katashima, Yuki Yoshikawa, Ung-il Chung, and Takamasa Sakai
    • Journal Title

      Macromolecules

      Volume: 53 Issue: 18 Pages: 7717-7725

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.0c01427

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Shear Modulus Dependence of the Diffusion Coefficient of the Polymer Network2019

    • Author(s)
      Takeshi Fujiyabu, Yuki Yoshikawa, Junhyuk Kim, Naoyuki Sakumichi, Ung-il Chung, and Takamasa Sakai
    • Journal Title

      Macromolecules

      Volume: 52 Issue: 24 Pages: 9613-9619

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.9b01654

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Universal Description of Diffusion Coefficient of Polymer Network2021

    • Author(s)
      Fujiyabu Takeshi、Chung Ung-il、Sakai Takamasa
    • Organizer
      The 19th UT2-Mac Workshop
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Systematic and clear discussion about the polymer gel dynamics using well-defined macroscopic parameters of polymer gels2021

    • Author(s)
      Fujiyabu Takeshi、Chung Ung-il、Sakai Takamasa
    • Organizer
      Pacifichem 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高分子網目の拡散係数に及ぼす溶媒の質の影響2021

    • Author(s)
      藤藪 岳志、吉川 祐紀、大平 征史、片島 拓弥、作道 直幸、Li Xiang、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第32回高分子ゲル研究討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子ゲル網目の拡散係数への混合と弾性の寄与2021

    • Author(s)
      金 俊赫、藤藪 岳志、作道 直幸、片島 拓弥、吉川 祐紀、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第32回高分子ゲル研究討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of Molecular Structure on Hydration Behavior of Poly(ethylene glycol) in Aqueous Solution2020

    • Author(s)
      Takeshi Fujiyabu, Kengo Arai, Takuya Katashima, Ung-il Chung, Toshiyuki Shikata, and Takamasa Sakai
    • Organizer
      第69回高分子学会年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of Solvent Quality on Diffusion Coefficient of Polymer Network2020

    • Author(s)
      Takeshi Fujiyabu, Yuki Yoshikawa, Masashi Ohira, Takuya Katashima, Naoyuki Sakumichi, Xiang Li, Ung-il Chung, and Takamasa Sakai
    • Organizer
      第69回高分子討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子網目の協同拡散係数のせん断弾性率依存性2020

    • Author(s)
      藤藪 岳志、吉川 祐紀、金 俊赫、作道 直幸、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第31回高分子ゲル研究討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子網目の協同拡散現象に及ぼす弾性圧の影響2019

    • Author(s)
      藤藪 岳志、金 俊赫、吉川 祐紀、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第68回高分子学会年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子網目の協同拡散現象に及ぼす弾性圧の影響2019

    • Author(s)
      藤藪 岳志、金 俊赫、吉川 祐紀、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第68回高分子討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高分子網目の協同拡散現象に及ぼす弾性率の影響2019

    • Author(s)
      藤藪 岳志、金 俊赫、吉川 祐紀、作道 直幸、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第67回レオロジー討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 動的光散乱法により測定した高分子網目の拡散係数の弾性率依存性2019

    • Author(s)
      藤藪 岳志、吉川 祐紀、金 俊赫、作道 直幸、鄭 雄一、酒井 崇匡
    • Organizer
      第29回日本MRS年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 乾燥ワカメのようにゲルが吸水して膨らむ速度の法則を解明

    • URL

      https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211130-3/index.html

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 乾燥ワカメのようにゲルが吸水して膨らむ速度の法則を解明

    • URL

      http://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/foe/press/setnws_202111301602312534256241.html

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 東大、乾燥ワカメのようにゲルが吸水して膨らむ速度の法則を解明

    • URL

      https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP622736_Q1A131C2000000/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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