2017 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental investigation of single polymer chain mechanics via analysis of mechanical analysis of gels
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17H04891
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中島 祐 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (80574350)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高分子物理 / 高分子鎖 / 弾性 / ゲル / ダブルネットワーク / 膨潤 / ゴム弾性 / 分子モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、モデル高分子としてポリエチレングリコール（PEG）を用いたゲルを作製し、下記２種類の力学測定を行うことにより、ゲルの力学測定から単一PEG鎖の力―変位曲線が抽出出来ることを実証した。
1. ダブルネットワークゲルの差分解析法による、高伸長域における単一高分子鎖延伸挙動の抽出
PEGを主鎖とする脆いゲルを第１網目、ポリアクリルアミドゲルを第２網目とする強靭なダブルネットワークを合成した。本ゲルの延伸時には、ゲル全体の破壊に先立ち、内部の脆いPEG鎖の伸び切りと切断が広範囲に生じることから、本ゲルに対してサイクル引張試験を行うことでPEG鎖の伸び切り→切断にまで至る伸長挙動が抽出出来るのではないかと考えた。実際に、サイクル試験結果の差分解析とデータの外挿を実施した結果、得られた曲線の形状はPEGゲルの調製条件によらずほぼ等しいことが分かった。また得られたデータをAFMによって得られた（低伸長域の）力―変位曲線と比較すると、両者はほぼ重なることが分かった。
2. ゲル膨潤法による、低伸長域における単一高分子鎖延伸挙動の抽出
PEGを主鎖とするゲル内部に様々な濃度の直鎖高分子電解質を導入することで、本ゲルの膨潤度を収縮状態から伸び切り状態にまで制御した。これらのゲルの弾性率をHertzの接触理論に基づいて押し込み試験結果から決定した。さらに、ゲルの弾性率はゲルを構成する鎖が有する弾性エネルギーとゲルの網目鎖密度に比例するので、弾性率を網目鎖密度で規格化することにより、網目鎖一本あたりの弾性エネルギーを実験的に得た。得られた弾性エネルギーを鎖の伸長度（膨潤度の1/3乗）に対してプロットした結果は、AFMによって得られたデータとよく一致した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の実験により、提案した２種類の測定法によってモデル単一高分子鎖の伸長挙動が実験的に得られることが分かり、今後、これらの方法を様々な高分子種に適用出来る見通しが得られた。また、2.のゲル膨潤法について、原著論文を１報投稿することが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、本年度に確立された２種の測定法を様々なゲルに適用し、多様な化学種の高分子の力―変位曲線、および破断に要する力を実験的に取得することを試みる。対象として、まずはポリアクリルアミドなどの一般的な合成ポリマーを検討している。また、例えば多糖やタンパク質など、延伸によって構造が変化しうる高分子についても測定を行い、これら高分子が延伸に伴って構造変化すること、またその変化に要するエネルギーを実験的に得ることなどを目指す。
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