ポリマーネットワークの分子シンクロナイゼーションを利用した化学エネルギー・情報変換

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11167234
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 渡辺 正義 横浜国立大学, 大学院・工学研究院, 教授 (60158657)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹岡 敬和 横浜国立大学, 大学院・工学研究院, 助手 (20303084) ; 今林 慎一郎 横浜国立大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (50251757)
• Keywords: イオン性液体 / イオンゲル / プロトン伝導 / 電子輸送 / 生体電子移動反応 / 電子メディエーター / コロイド結晶 / ハイドロゲル

Research Abstract

弱い相互作用のバランスでその構造が規定されているソフトなポリマーネットワークでは、一部の機能団の受けた外部刺激による微弱な摂動が質的に変換され、この弱い相互作用の分子ネットワークを通して時間的・空間的にシンクロナイズして伝達されるという現象がしばしば見られる。すなわちこの弱い相互作用のネットワークは、構造を形成するネットワークであると同時に、情報やエネルギーの伝達や変換を司るネットワークとして機能し得る。本研究は、このポリマーネットワークの分子シンクロナイゼーション現象を分子レベルで明らかにし、化学エネルギー・情報変換系創製のための新しい方法論として提案しようとするものである。最終年度である本年度は、以下の3項目に関して以下のような実績を得た。
1.イオン液体中でのin-situ重合によるイオンゲルの生成と化学エネルギー変換
イオン液体中で網目構造の高分子をその場重合で合成することにより、高分子網目の中にイオンが閉じこめられた「イオンゲル」の生成を見出した。このイオンゲルは、イオン液体の持つ特徴を保持しながら、柔軟、透明な固体膜として得られ、室温で10^<-3>-10^<-2>Scm^<-1>程度の高イオン伝導性を示す。これらイオンゲルには種々の「機能の創り込みの化学」が可能と考え、高い電子輸送特性、非水条件下での高速プロトン伝導性を実現した。
2.レドックス活性高分子を修飾したグルコースオキシダーゼ(GOx)の電子移動反応
標記の修飾酵素は、基質であるグルコース存在下でレドックス活性基(PT基)の酸化電位以上の電位で酵素触媒反応にもとづく大きな定常電流が観測された。これは、修飾されたPT基がPEOスペーサーを介して、GOxの活性中心付近の補酵素と電極間の高速電子シャトルとして働く自己メディエーターとなるためであった。
3.最密充填コロイド結晶を鋳型に用いた構造色ゲルの創製と化学情報変換
最密充填シリカコロイド結晶を鋳型にハイドロゲルを合成し、その後これを溶解除去すると、ゲル中にコロイド結晶のネガ構造が保持されることを見出した。シリカコロイド結晶の格子定数は可視光領域であるために、このネガ構造を持つハイドロゲルも構造色を呈する。多結晶状態のコロイド結晶を用いるとオパール状に輝き、単結晶を用いると単一色を呈する。さらに、ゲルの膨潤・収縮過程にシンクロナイズして、この構造色を変化させることを見出した。この結果を利用し、ゲルの刺激応答を構造色変化として取り出す化学情報変換系の構築に成功した。

Research Products

• [Publications] H.Tokuda: "Synthesis, Characterization, and Ion-conductive Behavior in an Organic Solvent and in a Polyether of a Novel Lithium Salt of a Perfluorinated Polyimide Anion"Macromolecules. 35. 1403-1411 (2002)
• [Publications] Y.Takeoka: "Polymer Gels that Memorize Structures of Mesoscopically Sized Templates. Dynamic and Optical Nature of Periodic Ordered Mesoporous Chemical Gels"Langmuir. 18. 5977-5980 (2002)
• [Publications] K.Ban: "Electrical Communication between Glucose Oxidase and Electrodes Mediated by Phenothiazine-labeled Poly(ethylene oxide) Bound to Lysine Residues on the Enzyme Surface"Anal. Chem.. 75. 910-917 (2003)
• [Publications] Y.Takeoka: "Template Synthesis of Chameleonic Poly(N-isopropylcrylamide)gels Using Self-assembled Colloid Silica Crystals"Adv. Mater.. 15. 199-201 (2003)
• [Publications] R.Kawano: "Equilibrium Potentials and Charge Transport of an I^-/I_3^-Redox Couple in an Ionic Liquid"Chem. Commun.. 2003. 330-331 (2003)
• [Publications] A.Noda: "Bronsted Acid-Base Ionic Liquids as Proton Conducting Non-Aqueous Electrolytes"J. Phys. Chem. B. (in press). (2003)
• [Publications] 渡邉 正義(共著): "物質科学入門"化学同人. 204 (2002)