2018 Fiscal Year Research-status Report
Pattern formation using self-propelled motors which have high nonlinearity
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17K05835
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
中田 聡 広島大学, 理学研究科, 教授 (50217741)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 非線形科学 / 非平衡系 / 振動現象 / パターン形成 / 自己駆動 / 自己組織化 / 分岐 / リズム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
非線形性の高い自己駆動系を構築し、分子レベルから時空間パターンを制御よく発現するために次の研究を行った。
(1)両親媒性分子による光制御：2,2-bis(2-chlorophenyl)-4,4',5,5'-tetraphenyl-1,2'-biimidazole(o-Cl-HABI)は、紫外線照射により二量体から単量体に可逆的に変化することが知られている。またこの分子は、表面圧を変えることができるので、水面滑走する自己駆動系の運動制御するための分子膜として活用することができる。そこで、o-Cl-HABI分子膜上に、表面張力差を駆動力として自己駆動する樟脳円板を浮かべ、光照射で運動制御する系を構築した。その結果、往復運動する条件に紫外線を照射するとランダム運動に変化することを見い出した。このような光照射による運動モードスイッチングの発現機構を、二量体であるo-Cl-HABI、単量体であるTPIR、及び駆動体の樟脳の表面圧に基づいて考察した。
(2)長さを持つ２個の振り子運動を示す自己駆動モーターによる同期運動：従来の系は質点について行ってきたが、本研究では、長さを持つ自己駆動体をカップリングさせた系について実験と理論の両面から研究を行った。具体的には、アセトン（駆動力源）を含ませたニトロセルロース製の紐の一端を水相の壁面に固定し、もう一端をフリーにして水面に浮かべたところ、往復運動することを見い出した。更に紐の先端と中心では位相差も周期振動することから、長さを生かした自己駆動系であることを確認した。さらに２本の紐をカップリングしたところ、ヒモの長さに依存して、同相、同相と逆相の共存、非同期の３つのパターンを見い出した。そして共存領域では、初期値で同相または逆相が選択されれた。これら特徴的な往復運動と同期現象を反応拡散方程式と運動方程式を結合した数理モデルを使って定性的に再現した。
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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
(1) 表面ポテンシャルに極小値を持つ両親媒性分子膜の合成と評価：これについては、o-CHABI分子を両親媒性分子膜として研究成果があることから概ね順調である。一方、それ以外の両親媒性分子について、合成等検討を行っているが、より安定な分子膜の構築が鍵を握ることが判明している。これらがクリアになると、ローカルな場での光刺激応答や刺激の周期的摂動に対する可逆的運動応答が期待できる。
(2) 空間非一様な光照射により局所的な表面ポテンシャル差を持つ光異性化分子膜の作成と評価:これについては、同様にo-CHABI分子の光応答性について研究成果があることから概ね順調である。一方、クマリン分子の光応答については、現在も運動条件を探索中であるが、光照射による可視化の可能性や照射条件のポイントが明らかになりつつあることから進展するものと考えられる。
(3) 駆動力分子の拡散場に依存した運動様相:これについては、クマリン分子を駆動力として用いた実験で、加水分解速度と分子膜の展開条件から、近日中に実績が報告される予定である。またメントールの振動運動について水相の深さ依存性が従来とは異なることを見い出した点も次年度への新たな展開である。
(4) 複数個の自己駆動モーターによる時空間運動パターン形成: これについては、まず長さを持つ自己駆動体を提案し、一端を固定してカップリングを行う実験に成功したことから、順調に研究が進んでいる。また複数個の自己駆動体によるパターン形成については、サリチル酸ブチル系等、液滴の集団現象を使ったパターン形成について実験と理論の両面から研究を進めているところであり、現在、集合する機構を分子膜の可視化により評価しているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 表面ポテンシャルに極小値を持つ両親媒性分子膜の合成と評価：まず二重結合を持つカルボン酸からなる両親媒性分子膜の相転移を活用することを１つの戦略とする。これにより、相転移温度近傍温度で駆動力の指標である、表面圧vs.表面積の勾配が変化し、それに伴う運動応答が発現することが期待される。一方、それ以外の両親媒性分子について、表面積変化に対して可逆的かつ安定な分子膜を構築する。
(2) 空間非一様な光照射により局所的な表面ポテンシャル差を持つ光異性化分子膜の作成と評価:クマリン分子の光応答について、より強度な青紫色レーザーやフィルタリングしたLEDシステムを導入して、自律運動の局所光照射による運動制御を行うと共に、駆動力分子の展開を可視化して、運動様相と分子膜展開との関係を明らかにする。
(3) 駆動力分子の拡散場に依存した運動様相:クマリン分子を駆動力として用いた実験で、加水分解速度と運動モーとスイッチング（連続運動と振動運動）の関係を明らかにする。また加水分解速度の評価、その他の物理化学的パラメータを用いて、理論的に運動モードスイッチングと振動運動の周期を定量的に解明する。加えて、メントールの振動運動について水相の深さ依存性が従来のマランゴニ効果とは異なることを見い出しており、この機構を解明する。
(4) 複数個の自己駆動モーターによる時空間運動パターン形成: 複数個の自己駆動体によるパターン形成については、サリチル酸ブチル系等、液滴の集団現象を使ったパターン形成について実験と理論の両面から研究し、液滴が自己集合と分離を繰り返す機構を分子膜の可視化により評価する。
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| Causes of Carryover |
実験条件の最適化と装置の改良・修繕に伴い、次の実験を待機させていたが、クリアになったため、次年度、予定通り予算執行して実験を進めるとともに、更に発展させることができる。
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