2019 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of branching factors of self-organized Liesegang structure
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19J23178
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
板谷 昌輝 山形大学, 大学院理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 非平衡 / 自己組織化 / 自己集合 / コロイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、自然界独特の堅牢かつ多様性という相反的な特性獲得に重要な非平衡空間 (dS/t ≠ 0) において自己組織化的に形成される空間的周期構造の形成機構解明を目指している。その中でも特に、従来から自然界との類似性が見出されている一方で、化学実験的な発見から1世紀が経過した現在においても、形成機構の解明には至っていないリーゼガングパターンと呼ばれる、離散的な沈殿析出により形成される空間周期沈殿構造の形成機構解明を目指している。また、本研究分野における構造形成は様々な素過程が競合する複雑系であるため、実験的な理解のみならず、数理科学的な理論的解釈による原因因子の抽出が必須である。従って、最終的に「化学および数理科学の融合研究」により明らかとなった形成機構解明を機軸として、自然界のリーゼガング型類似構造と対比することで自然界の類似構造形成に対する本質的理解を目指す「自然科学への波及型研究」を目的としている。その目的に向け、本年度はリーゼガングパターンの形成機構解明の障害として長年考えられていた多様な空間周期の分岐因子の解明を目指した。具体的に、リーゼガングパターンは空間周期として定義される離散的な沈殿領域間の間隔が、一般的には反応基面から遠方に行くに従い等比級数的に増加していくが、稀にその間隔が等比級数的に減少、または常に一定となることがある。この周期性の分岐支配因子はこれまで実験的に解明されていなかった。しかしながら、本研究で、リーゼガングパターンの形成素過程の一つである核形成プロセスに着目し、従来空間一定とみなされていた核形成速度パラメーターを、本研究においては反応媒体である「ゲル濃度の空間変調」により実質的な「核形成速度分布」を形成し、その条件下では上記の空間周期分岐の発現が確認された。また、それらの分岐は「空間内のゲル濃度の差」により制御されることが明らかとなった。
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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
初年度の研究計画は、リーゼガングパターンにおける周期性の分岐支配因子の解明を行った。研究実績の概要に記載の通り、従来からリーゼガングパターンの制御因子として研究が進められていた核形成速度に着目し、その空間分布をアガロースゲル濃度の空間分布の形成により達成した。従来の研究はこのゲル濃度を「空間一様」に変化させる影響のみしか明らかとしていなかったが、本研究においてはゲル濃度の分布を「空間不均一」に変化させることでゲル濃度の空間変調が空間周期分岐現象に及ぼす影響を検討した。
まず初めに、異なる濃度のゲルを積層することで、ゲルの任意の位置にゲル濃度がステップ状に変化する2層ゲルを作成した。その結果、低アガロース濃度から高アガロース濃度へと増加変調した場合、沈殿領域間隔が一定となる周期が形成された。さら、ゲル濃度差を増加させ、急激にゲル濃度が変調する条件では沈殿領域間隔が減少する周期が局所的に形成された。
以上の実験結果を理論的に考察すべく、次に反応拡散方程式と呼ばれる偏微分方程式を用いて、「ゲル濃度の空間変調」を「核形成速度制御パラメーターの空間変調」と定義してシミュレーションを行ったところ、核形成速度の変調度合いの増加に伴い、上記の実験系と同様の周期性分岐現象が局所的に形成された。
以上の結果を踏まえると、ゲル濃度の空間分布の長距離的な形成により、上記のような局所的な分岐現象ではなく、パターン形成領域全域において周期性の変化が起こることが期待された。そこで実際に、異なる濃度のゲルを多層積層することによりゲル濃度が空間内を徐々に増加していく多層ゲルを作成した。その条件においてはパターン形成領域全体におおいて、沈殿領域間隔が一定となることが確認されたことから、「ゲル濃度の空間分布」がリーゼガングパターンの空間周期分岐現象の支配因子であることを明らかとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度は研究計画通り研究が遂行できたため、本年度は計画通りに研究を行う。2年目はリーゼガングパターン形成機構の標準モデルの構築を目指し、これまで実験的な議論がほとんどなされていない、「相分離型リーゼガングパターン」の実験系の構築を行う。この際に、従来のような塩形成反応―核形成―粒子成長―沈殿形成プロセスが混在する系では、相分離を用いた沈殿形成の際にも考慮すべき影響が多く、重要要素の抽出が困難である。そこで、本研究では従来の塩形成反応―核形成―粒子成長のすべてのプロセスを排除し、「相分離―沈殿形成」のみでパターン形成が可能な単純系の構築を目指す。具体的には、反応媒体であるゲル内に表面修飾を行った金属ナノ粒子を分散含有させ、電解質拡散による、粒子の分散不安定化による沈殿パターン形成を行う。さらに、ここで得られた実験系の知見を基に反応拡散方程式を用いた理論的モデルの検討も行う。この際に、従来用いられてきた反応拡散方程式に、Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek理論から予測される凝集パラメーターを組み込んだシミュレーション及び、スピノーダル分解による相分離から予測される相分離パラメーターを組み込んだシミュレーションの双方から理論的考察を行うことにより、本系の妥当性および相分離型モデルの本質的意義を検討する。
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