2017 Fiscal Year Annual Research Report
Developments and Potential Applications of Ideal Polyelectrolyte Gels
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16H02277
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴山 充弘 東京大学, 物性研究所, 教授 (00175390)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Li Xiang 東京大学, 物性研究所, 助教 (30759840)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 荷電性ゲル / 理想網目 / 小角中性子散乱 / 分子ふるい / モジュールポリマー / ポリアクリル酸ゲル / テトラペグゲル / 両親媒性高分子ゲル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
荷電性高分子ゲルは非常に高い浸透圧を持ち、吸水剤や保水剤として様々な分野で利用されているが、既存の荷電性高分子ゲルは主にラジカル重合法で作製され、形成される網目構造は不均一で制御性が乏しい。そのため、荷電性高分子ゲルの物性理解は殆ど荷電基の種類や濃度の面から行われ、網目構造の観点からの議論は殆どなされていない。本研究ではテトラ型モジュールポリマーを用いた高い均一性・制御性を誇るゲル作製システムを用いて、未だに実現されていない理想網目構造を有する荷電性高分子ゲルを創造し、荷電性高分子ゲルの物性の理解、及び理想網目を利用した応用展開を目指した研究を行った。
平成29年度においては、t-ブチルアクリレート(テトラtBA)を骨格とするテトラ-tBAゲルを合成し、そのメタノール膨潤ゲルおよび、tBAを脱保護して得られるテトラポリアクリル酸ハイドロゲル（テトラPAAゲル）の物性測定および中性子散乱実験を行った。その結果、解離していないテトラtBAゲルは、これまで得られている非荷電ゲルとほぼ同様の構造をもち、架橋により不均一性が発現することがわかった。一方、テトラPAAゲルの散乱関数には、荷電高分子溶液や荷電ゲルに特徴的な散乱ピークが存在したことから、荷電基の導入に成功していること、架橋の導入により不均一性が大きくなっていることを確認し、論文発表を行った（投稿中）。一方、DNAを架橋点とするテトラPEGゲルの合成に成功し、中性子散乱による構造解析を行った。DNA架橋テトラPEGゲルの場合、高温でゾル、低温でゲルとなる物理架橋ゲルであること、またDNAが強く荷電しているので、新規タイプの荷電性高分子ゲルということができる。現在、この構造やゾルーゲル転移、塩濃度依存性などについて詳しく研究を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
理想荷電性高分子網目の合成とその構造解析・物性探索を目的とする研究を行っている。最初に、均一な網目構造をもつテトラポリアクリル鎖ゲルの合成を目指し、直接法（４分岐ポリアクリル酸の直接末端交差反応）と間接法（４分岐t-ブチルアクリレート(tBA)の合成と、そのゲル化、それにつづくtBAの脱保護）の両方を検討した。中性子散乱実験からは、荷電性高分子に特徴的な構造が観察されたことから、分子構造と電荷による高次構造との関係、および添加塩効果に関する研究を着手した。平成28年度においては、欠陥をもたない均一ゲルの実現には至らなかったので、平成29年度においては、合成手法を根本から見直し、より均一性の高いゲルの調製に挑戦し、均一性に優れるゲルの合成に成功した。現在、その構造解析を行っている。また、新たに、DNAを架橋点とするテトラPEGゲルの調製に成功し、そのゾルーゲル転移挙動や構造解析の研究を進めている。一方で、非荷電テトラペグゲルにおいて、臨界クラスターの研究、金粒子によるゲル網目中のプローブ動的光散乱研究などを行い、国内外での学会での講演・発表、論文発表を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
荷電性高分子ゲルの作製システムにさらに検討を加え、より均一性が高く、反応収率が高いゲル作成システムの構築を行うとともに、網目構造・電荷がゲルの物性に及ぼす影響の評価を行う。荷電性高分子ゲルの基礎物性を調べる上での変数として、従来は電荷密度と静電遮蔽距離が主に用いられてきたが、申請者が提案する理想荷電性高分子ゲルによって新たにポリマー体積分率と架橋点間重合度を独立した変数として用いることが可能であるため、pH、塩濃度、ポリマー体積分率、および架橋点間重合度という、4つの変数を任意に調整して荷電性ゲルを作製し、散乱実験から得られる構造情報を基軸に、レオロジー・力学・膨潤・物質拡散の4つの物性試験を行うことで、荷電性ゲルの系統的な物性ライブラリーを構築していく。
一方で、我々のグループで新規に開発したDNA架橋テトラPEGゲルに関して、より収率や反応率の高いゲルの創製を試みるとともに、不均一性の低減による理想網目の実現を目指す。さらには、DNA架橋テトラPEGゲルの力学物性や物質透過・分離特性などといった応用展開を視野にいれた研究を展開する。
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