2020 Fiscal Year Annual Research Report
Polymer Science at an Interface with Good Solvents - Aggregation States and Dynamics in the Outermost Region of Hydrogels -
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20H02790
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 敬二 九州大学, 工学研究院, 教授 (20325509)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
春藤 淳臣 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40585915)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 高分子界面 / ハイドロゲル / 凝集状態 / ダイナミクス / 粒子追跡法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2-メトキシエチルビニルエーテル(MOVE)と2-ビニルオキシエチルメタクリレート (VEM)からなるランダム共重合体、poly(MOVE-r-VEM) (MrV)を合成し、架橋型MrV（c-MrV）の薄膜を調製した。c-MrVの界面分子鎖凝集状態を評価し、摩擦特性との相関について議論した。
中性子反射率測定に基づき、c-MrV膜の水界面における密度分布が、ポリマーブラシのそれを説明する際に用いられる放物線関数に従い減少することを明らかにした。この傾向は、フォースカーブ測定から得られた弾性率プロファイルより評価された密度分布からも確認できた。以上の結果から、c-MrV膜が最外領域において多数のダングリング鎖を有し、水界面における分子鎖凝集状態がポリマーブラシ様であることを明らかにした。
摩擦特性はc-MrV膜上における水平力 (FL) の垂直荷重 (FN) 依存性に基づき評価した。FLはFNに対して単調増加したのち、臨界荷重 (FN_C) を境にほぼ一定値となった。FN_Cにおけるプローブの押込み深さは界面層厚と対応した。FN < FN_Cの領域では、FNおよびVEM含有量の増加に伴いFLが急激に増大したことから、この領域の摩擦特性は界面層におけるダングリング鎖の伸長に伴うエネルギー損失に由来すると考えた。一方、FN > FN_Cの領域では、急激な摩擦係数の減少が静水圧による荷重の下支えによるものであるとし、この領域の摩擦特性が界面層と膜内部の網目領域からの影響の和で与えられると考えた。以上を総括すると、ゲルの摩擦特性は界面層に由来する因子と膜内部に由来する因子の二つから影響を受け、そのどちらが支配的かは観測する深さに依存すると結論した。
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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
界面におけるダングリング鎖のダイナミクスは、高分子ハイドロゲルの界面特性、ひいては機能に影響を及ぼすと考えられるため、分子鎖ダイナミクスの正確な理解は重要である。これまで、ハイドロゲル内部における分子鎖ダイナミクスは盛んに研究されてきた。その評価手法として、動的光散乱、中性子スピンエコー、中性子準弾性散乱、動的粘弾性測定などが挙げられる。しかしながら、これらの手法で得られる情報は、試料全体で平均化された値であり、界面選択的ではない。界面における分子鎖ダイナミクスを評価するために、水平力顕微鏡測定や、蛍光偏光解消測定などが応用された例はあるが、ハイドロゲル界面に対して行われた例はない。さらに、分子鎖ダイナミクスと機能性、たとえば生体不活性などとの相関を検討する場合、界面における物性評価は、材料表面に対して生体成分が付着する際と同様の状態、すなわち非摂動状態における分子鎖に対して行われることが望ましい。以上を踏まえると、良溶媒界面における分子鎖ダイナミクスを検討するには、ハイドロゲル界面における分子鎖ダイナミクスを非荷重条件下で評価する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
そこで２１年度は、ハイドロゲルの水界面における分子鎖ダイナミクスの解析手法として粒子追跡法に着目する。粒子追跡法では、試料中に分散させたプローブ粒子の熱運動を追跡する。粒子の熱運動は、周囲媒体の動的な性質を反映するため、同法を用いて試料中の局所領域における物性を非破壊で評価できる。特筆すべき点は、粒子の熱運動は、自発的な揺らぎ現象であるため、非荷重で解析可能である点である。また、用いるプローブ粒子の直径を変えて物性解析を行うことで、粒子サイズに対応した空間スケールの局所物性を議論できる。ハイドロゲル界面におけるダングリング鎖のダイナミクスを評価、理解し、初年度で明らかにした界面摩擦性との相関を明らかにする。２２年度は、ハイドロゲル界面の機能性として生体不活性性について着目し、２１年度までに得られる界面構造・物性との相関を明らかにする予定である。
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