Process construction for reversible and irreversible flow-induced gel phase transition-A new strategy for soft matter production

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K23499
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 原 峻平 同志社大学, 理工学部, 助教 (20844088)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2022-03-31
• Keywords: 流動誘起ゲル / 乱流 / 界面活性剤 / 相転移 / 可逆・不可逆性

Outline of Annual Research Achievements

ゲルとは，高分子が架橋された三次元的網目構造を骨格とする膨潤体であり，溶媒に不溶のものとして定義される．とりわけ，物理的凝集や高分子鎖の絡み合いによって架橋している物理ゲルは，ゾル-ゲル間の相転移（構造相転移）が可逆であり，再生医療用の細胞培養基材や細胞輸送時の保護膜などへの応用が期待される．近年，粒子を詰めたマイクロチャネルに界面活性剤溶液を流すと，マイクロサイズの不可逆的物理ゲルも作製可能であると報告され，更なる応用分野の拡大が期待される．しかし，このゲル形成現象は形成条件に不明な部分が多く，その再現性は著しく低く，報告例がほぼない．本研究では，流動条件を系統的に変更しつつ実験を行い，解析結果から流動誘起ゲルの作製プロセスの構築を目的とする．流動誘起ゲル相転移の可逆・不可逆性を整理できるモデル式を提案し，形成されたゲルの構造とその力学的特性をそれぞれ検証することで，体系的にまとめ上げ，目的達成を目指す．
本年度はフィルター付き滲出装置を用いて流動誘起ゲルの形成条件を定量的に特定した．また，完全発達したチャネル乱流の中央付近から，フィルター付きノズルを用いて形成させた流動誘起ゲルを放出し，流動誘起ゲルは乱流拡散によって周囲の流体を取り込み，より膨潤することが明らかになった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルスパンデミックにより計画に遅れがでたものの，今年度は二種類の実験を行うことができた．
一つ目の実験では，フィルター付き滲出装置を作成し，フィルターサイズとフィルター枚数を変えることで溶液に与える変形率と変化量を変更し，流動誘起ゲルの形成に与えるその影響を調べた．その結果，ゲル形成条件を定量的に特定し，さらに，形成されたゲルを長時間経過観察することでその可逆・不可逆性の把握についても成功した．
二つ目の実験では，変形率と変形量の影響がほぼ無視できる，完全発達したチャネル乱流の中央付近から，フィルター付きノズルを用いて形成させた流動誘起ゲルを放出し，ゲル形成への乱流拡散の影響を調査した．対流中のゲルを高速度カメラによって観察した結果，ゲルは下流に向かって巨大化することが明らかになった．撮影された画像に二値化処理を施し，ゲルサイズの平均量を調べたところ，ノズル断面積に比べて二桁大きいサイズにまで成長することがわかった．また，ゲルの形成・崩壊の指標となる拡散係数としてゲル断面積の時間変化量を下流に向かって調べたところ，周囲の渦動粘性係数と同程度の値を示していることが分かった．これらを踏まえると，流動誘起ゲルは乱流拡散によって周囲の流体を取り込み，より膨潤することが明らかになった．

Strategy for Future Research Activity

今年度得られた実験結果を踏まえつつ，さらにデータ収集を行い，流動誘起ゲル相転移の可逆・不可逆性を整理できるモデル式の構築を試みる．また，学内の走査型電子顕微鏡やレオメータにより流動誘起ゲルの構造とその力学的特性を試みる予定である．

Causes of Carryover

新型コロナウィルスパンデミックにより実験計画に遅れが生じた．界面活性剤の購入，光学部品の購入，ゲル作製に用いる専用メッシュの複数購入及びゲル観察に必要な走査型電子顕微鏡の利用料等の費用へ当てる予定である．