Electrochemically-driven self-standing molecular engine hydrogel modeled on Spasmoneme motion
Publicly Offered Research
| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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| Project/Area Number |
19H05400
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
相樂 隆正 長崎大学, 工学研究科, 教授 (20192594)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 電気化学発動系 / ハイドロゲル / 創発的ダイナミクス / 急速収縮 / 酸化還元 / ビオロゲン / 顕微表面増強ラマン分光 / 導電性フィラー / ヒドロゲル / 創発 / 急速収縮伸長 / ナフィオン |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、生物最速の収縮を起こすツリガネムシの器官スパズモネームやアメーバの仮足運動を手本とした機序での伸縮による並進運動を、電極表面上で起こすヒドロゲルを創製することを目的とする。ヒドロゲル中の酸化還元活性中心の状態を電子移動で変化させ、ヒドロゲルからの水とイオンの流出と流入が収縮の原理となる。単に伸縮を起こすだけでなく、低電位の制御で大きな動きを達成し、自立して自律的に、方向を定めて這い回る動きを達成することを目指す。この研究で生み出される動くソフトな移動体は、医療分野や人間が入れない水中の微小領域で、ロボットのように働く近未来の装置を構成するなどの応用に直結する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
・グルタルアルデヒド架橋ポリ-L-Lysベースのビオロゲンペンダントヒドロゲルを、種々のペンダント率で合成したところ、最大の収縮率を示すのは25%だった。それに、金ナノ粒子、カーボンナノチューブ、グラフェンナノプレートレットを導電性フィラーとして入れ込み、ビオロゲンの酸化還元に基づく収縮と再膨張の加速を試験した。特に金ナノ粒子で顕著に電子移動が高速化広域化すること、収縮の初速度をカーボンナノ材料が加速することがわかった一方で、再膨張の加速は限定的だった。また、ビオロゲンの対アニオンをアニオン性ポリマーに代えると電子移動過程は速くなった一方で、還元反応電荷当たりの収縮率は逆に小さくなった。更には、金のネットワークをゲル中に入れる方法を種々検討し、有効性を評価できた。
・上記ゲルが電極に接しているときの電子移動を確認するため、顕微増強ラマン散乱分光測定を行った結果、還元時に過渡的に生成する鎖間でのビオロゲンダイマー生成による架橋点が孤立化するために、電子移動の相手の密度が減少し、電子ホッピングが非効率になることがわかった。
・電極上で、ロボットと見立てた液滴の動きを、摩擦を極力小さくしつつ、大きな接触角変化のものとするため、またゼロ電荷電位に対して対称的な電位範囲で可能にするため、パーフルオロ系溶媒であるNovecを用い、定量的な検討を行った。表面電荷-電位曲線と接触角の電位依存性を比較する新しい解析方法を考案し、Novec液滴の静摩擦係数がヘキサデカン滴の1/3程度であることを初めて明らかにした。
・古典的な電解質ポリマーアクチュエータ材料であるナフィオンに、パーフルオロ基で内部チャンネル内壁と強い相互作用があるビオロゲンを含侵させたが、この含侵材料では還元収縮は起こらなかった。ビオロゲンなどとの結合様式が重要であることが確認できた。
・以上は、可動スマートゲル高度化に発展させる。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(22 results)
