非線形化学振動子のネットワークによる自己組織化の分子制御

• Project Area: Emergent Chemistry of Nano-scale Molecular System
• Project/Area Number: 23111715
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 中田 聡 広島大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50217741)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2012: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2011: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 非線形振動子 / 非平衡系 / モードスイッチング / 同調現象 / 分岐 / 界面 / 自律運動 / 自己組織化 / 非線形 / 非平衡 / 自律系 / 振動現象 / 同調

Outline of Annual Research Achievements

非線形振動子は線形振動子と異なり、複数の振動子間でリズムを揃える同調現象や振る舞いが変化する分岐現象など多くの特徴的な現象を示す。非線形振動子を化学系で構築する場合、反応―拡散の速度バランスに依存したマクロな観点と、分子構造に依存したミクロな観点の両方からシステムをデザインすることができる。本研究では、自己組織化現象として、多様に時空間発展する化学反応系を双方の観点から創発することを目的として研究を行った。　本研究では、表面圧(π)－分子占有面積(A)曲線に極大値と極小値を持つN-acyl-p-nitroaniline (CnANA)単分子膜上に、自律運動を示す樟脳円板を浮かべ、π-A曲線に依存した自律運動系を創発した。　その結果、C18ANAのπ-A曲線に依存して3つの濃度領域で特徴的な運動様相を示した。低濃度領域ではπ-A曲線は可逆的でランダム運動を示した。その運動速度は表面圧に依存し、表面圧極大値では停止した。それ以上の濃度では不可逆過程に入り、表面圧極小値では、円形のある面積の空間を振動した。そして極小値以上の濃度では一次元的な往復運動が見られた。これらの表面圧に依存した運動様相を考察するために、膜の不可逆性を赤外分光法と紫外分光法による分子間相互作用の評価により解明した。前者ではANA分子間の水素結合を、後者ではフェニル基のππスタッキングを検出した。またANA分子のアシル鎖長を変え、π-A曲線、樟脳運動、及び分子構造との関係を空きあらかにした。これらの結果に基づいて数値計算による再現を行うとともに、運動メカニズムについてミクロ（分子間相互作用、他のC18ANA分子膜）とマクロ（運動様相）の見地から議論した。その他、樟脳運動のネットワーク化による同調運動の運動モードスイッチングについても実験的に明らかにした。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Preciprocating motion of a self-propelled object on a molecular layer with a local minimum and a local maximum isotherm (2013)
  • Author(s): S. Nakata, T. Miyaji T. Ueda, T. Sato, Y. S. Ikura, S. Izumi and M,Nagayama
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 117 Issue: 12 Pages: 4129-4133
  • DOI: 10.1021/jp400971h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oscillation of a polymer gel entrained with a periodic force (2013)
  • Author(s): Takaya Shiota
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 117 Issue: 7 Pages: 2215-2220
  • DOI: 10.1021/jp311993z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reciprocating Motion of a Self- Propelled Object on a Molecular Layer (2012)
  • Author(s): Satoshi Nakata
  • Journal Title: ChemPhysChem Volume: 13 Issue: 18 Pages: 4129-4133
  • DOI: 10.1002/cphc.201200820
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distinction between alcohols and hycrocarbons with a semiconductor gas sensor depending on the range and frequency of a cyclic temperature (2012)
  • Author(s): Satoshi Nakata
  • Journal Title: Analytica Methods Volume: 4 Issue: 4 Pages: 1126-1131
  • DOI: 10.1039/c2ay05759j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mode Change in the Self-Motion of a Benzoquinone Disk Coupled with a NADPH System (2012)
  • Author(s): S.Nakata, Y.Matsuda, Y.Ikura, A.Takeda, S.Izumi
  • Journal Title: Chem.Phys.Chem. Volume: 13 Issue: 2 Pages: 520-524
  • DOI: 10.1002/cphc.201100773
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photo-sensitive self-motion of a BQ disk (2012)
  • Author(s): Yui Matsuda
  • Journal Title: Phycical Chemistry Chemical Physics Volume: 14 Pages: 5988-5991
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interaction between a monosaccharide and a phospholipid molecular layer (2012)
  • Author(s): Satoshi Nakata
  • Journal Title: Colloids and Surfaces A Volume: 405 Pages: 14-18
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression and regeneration of camphor-driven Marangoni flow with theaddition of sodium dodecyl sulfate (2012)
  • Author(s): Y.S.Ikura, R.Tenno, H.Kitahata, N,J.Suematsu and S.Nakata
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 116 Issue: 3 Pages: 992-996
  • DOI: 10.1021/jp210990a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mode change in the self-motion of a benzoquinone disk coupled with a NADPH system (2012)
  • Author(s): S.Nakata, Y.Matsuda, Y.S.Ikura, A.Takeda, S.Izumi
  • Journal Title: Chemical Physics Chemistry Volume: 12 Pages: 520-524
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression and regeneration of camphor-driven Marangoni flow with the addition of sodium dodecyl sulfate (2012)
  • Author(s): Y.S.Ikura, R.Tenno, H.Kitahata, N.J.Suematsu, S.Nakata
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 116 Pages: 992-996
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photo-excited chemical wave in the ruthenium-catalyzed Belousov-Zhabotinsky reaction (2011)
  • Author(s): S.Nakata, M.Matsushita, T.Sato, N.J.Suematsu, H.Kitahata, T.Amemiya, Y.Mori
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 115 Pages: 7406-7412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density wave propagation of a wave train in a closed excitable Medium (2011)
  • Author(s): N.J.Suematsu, T.Sato, I.N.Motoike, K.Kashima, S.Nakata
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 84
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mode-selection and mode-switching of an autonomous motor composed of a camphor rotor and a mobile loop (2011)
  • Author(s): S Nakata, R.Tenno, Y.S.Ikura
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 514 Pages: 157-163
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 水相中SDS濃度に依存した樟脳駆動のマランゴニ流の抑制と再生 (2012)
  • Author(s): 天野了一・中田聡, 他
  • Organizer: 日本化学会第92春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] N字型πA曲線を持つ単分子膜に対する化学応答 (2012)
  • Author(s): 佐藤太亮・中田聡, 他
  • Organizer: 日本化学会第92春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] 自発的に振動する高分子ゲルの圧力応答 (2012)
  • Author(s): 塩田考矢・中田聡, 他
  • Organizer: 日本化学会第92春季年会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学
  • Year and Date: 2012-03-25
• [Presentation] Mode-switching of an Autonomous Motor (2012)
  • Author(s): Satoshi Nakata
  • Organizer: Gordon Research Conference
  • Place of Presentation: 米国（メイン州）
  • Invited
• [Presentation] Mode-switching of autonomous motors sensitive to the environment (2012)
  • Author(s): Satoshi Nakata
  • Organizer: International Association of Colloid and Interface Science
  • Place of Presentation: 仙台
• [Presentation] 非線形・非平衡を導入した界面における自律運動 (2011)
  • Author(s): 中田聡
  • Organizer: 情報処理学会
  • Place of Presentation: 山口大学(招待講演)
  • Year and Date: 2011-12-02
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.mls.sci.hiroshima-u.ac.jp/bukkan/nakata.htm