2023 Fiscal Year Research-status Report
Construction of gas release triggers from fine bubbles stabilized by molecular covering
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22K03915
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| Research Institution | Sasebo National College of Technology |
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Principal Investigator |
田中 泰彦 佐世保工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (10512692)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
城野 祐生 佐世保工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (80353233)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ファインバブル / マイクロバブル / 分子膜被覆 / ガス収納とガス放出 / バブル安定化 / イオンコンプレックス / 分子吸着 / マイクロガストランスポーター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微細気泡であるファインバブルの表面は分子吸着特性を持つ。また，ファインバブルの表面を有機分子で被覆すると，バブルが安定化して液中に長時間存在し続ける。本研究では，この分子吸着特性を利用して，水中でファインバブル表面に正電荷を持つ分子と負電荷を持つ分子を順番に吸着させた。ファインバブルをこれら２種類の分子で形成されるイオンコンプレックス膜で被覆させることにより安定化させた。ファインバブルの安定後，今度は意図的に分子被膜をファインバブル表面から脱着させるトリガーとなる要素を調査した。具体的には，還元応答性を有するジアルキルビピリジニウム塩（アルキルビオロゲン）を被覆分子としてイオンコンプレックス膜に組み込み，分子被覆ファインバブル溶液を調製し，この分子被膜ファインバブルを含む溶液に電圧印加することでアルキルビオロゲンの電気化学的還元を行った。還元されたアルキルビオロゲンの電荷状態の変化により，正・負電荷より形成されていたイオンコンプレックス膜中の静電相互作用が解消され，ファインバブル上の分子被膜が崩壊したと考えられる観察結果を得ることが出来た。この結果は，次の研究計画である各種ガスにより生成させたファインバブルを分子膜被覆により安定化（ガス収納）し目的部位に輸送する新規ガス輸送システムである分子被膜ファインバブルを利用したマイクロガストランスポーターへの応用展開するための基礎的データとなる。
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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
ファイルバブル表面で被覆膜を形成可能な分子種の探索を行う中で，分子被膜ファインバブル同士がひとつにまとまる合一現象が起こる場合があることを発見した。合一現象が起こる分子種の組み合わせは，両性界面活性剤であるアルキルスルホベタインと，正電荷を持つ高分子ポリアリルアミンである。アルキルスルホベタインとポリアリルアミンの組み合わせで形成されるイオンコンプレックス膜の場合，最外層のイオンコンプレックスペアを組まない余剰電荷同士の反発が，アルキルビオロゲンとポリスチレンスルホン酸の組み合わせの場合と比べて小さく，分子被膜ファインバブル同士が接近する確率が高くなるためと考えられる。しかし，現時点ではこの合一現象は，溶液内のすべて分子被膜ファインバブル同士で起こってはいない。合一の発現となる条件については，被覆分子の添加濃度や添加のタイミングなどを変えて現在調査中である。
ガス放出トリガーの探索の結果，現時点で可能性のある２つの手法を見出している。１つは，分子被膜ファインバブルを含む溶液に電圧印加により，被膜分子のアルキルビオロゲンを電気化学的に還元し，ファインバブル表面から脱着させる方法である。２枚の酸化インジウムスズ（ITO）透明電極に分子被膜ファインバブル溶液を挟み込み電解セルを組み，電圧印加しながら顕微鏡観察を行った結果，分子被膜ファインバブルが，電圧印加により崩壊する様子を捉えることが出来た。もう１つは，被膜分子の添加量をコントロールし，ファインバブル表面の被膜分子の吸脱着平衡を脱着方向にシフトさせる方法である。２種類の分子でイオンコンプレックス膜を形成させ，ファインバブル表面を分子で被覆すると溶液が白濁する。その後，再び，被膜分子の一方を添加していくと溶液の白濁が消失する現象を捉えた。これは被膜分子のファインバブル表面から脱着を示唆するデータを得る結果となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画通り，各種ガスバブルでの分子被膜ファインバブルの形成（ガス収納）とバブルの崩壊（ガス放出）のデモンストレーションを行う。ガス収納では，今回の実験で観察された分子被膜ファインバブル合一現象の詳細を精査する。合一後の分子被膜ファインバブルのサイズや安定性を顕微鏡観察と画像解析により調べる。さらに，ファインバブル同士の合一を制御し，狙ったサイズで，なおかつ水中に安定に存在し続ける分子被膜ファインバブルの形成に挑戦する。ガス放出では，今回見出した２つの手法を利用して，分子被膜ファインバブルの崩壊を狙ったタイミングと指定の場所で起こす機構の構築を行う。具体的には，３次元プリンタ（本採択課題の研究費で新たに購入予定）で，電気化学的還元を行うための微細電極を差し込める部位と，被膜分子の過剰添加を行うための溶液注入部位を併せ持つマイクロ流路を自作する。作製したマイクロ流路をモジュール化し，分子被膜ファインバブルの意図的崩壊実験を行っていく。
また学会発表の質疑で「分子被膜ファインバブルの内部に水は入ってこないのか？」という指摘を受けた点を明らかにする。分子被膜ファインバブルの内部気体と周辺溶媒である水の入れ替わりが起こっていない事の根拠となるデータが現時点では無い。この点は当初計画になかったが，所属機関での現有機器では証明するに足るデータを得ることが出来ないため，文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ事業を利用し，ハブ機関のひとつである九州大学所有の機器を利用申請して，分子被膜ファインバブル内部の状態を示すデータを得ていく。
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| Causes of Carryover |
所属研究機関に別途高倍率デジタル顕微鏡が導入されたため，本研究室所有のデジタル顕微鏡観察時の振動除去のために今年度導入予定だった除振台を購入する必要がなくなったため，次年度に予算を繰り越すこととした。繰り越した予算は，現在実験を行っているバブルの発生，バブルの分子被覆，分子被覆バブルからの被覆膜の脱離をそれぞれモジュール化しデモンストレーションするための装置を作るため，光造形３次元プリンタを購入予定である。
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