2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of extreme phase separation formation and rubbery-to-glassy transition with elevating temperature
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21H01990
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
野々山 貴行 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (50709251)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | ハイドロゲル / ソフトマター / 相分離 / ガラス転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一般的な高分子は、低温で硬く、高温で柔らかい性質を示す。特に、高分子を特徴づけるガラス転移温度（Tg)を境に、弾性率が数桁程度の大きな変化を示す。この性質とは逆に、低温で柔らかく、高温で硬くガラス化する高分子ゲル材料を発見した。この材料はポリアクリル酸ゲルを酢酸カルシウム水溶液中で平行膨潤させることで簡便に作製できる。このゲルは室温では透明だが、３０℃付近で相分離を形成し、更に高温で相分離が成熟してガラス化する。ここで、温度の掛け方を種々制御することで、１種類のゲルから多彩な変化を生み出す事ができることを見出した。相分離温度以上、ガラス化温度以下の温度域では、相分離が即座に形成されるが、その温度で維持すると相分離は次第に消失し、透明な状態に戻る。このとき、僅かではあるが体積が減少していることが認められた。これらから、本相分離現象は、速い熱拡散と遅い水拡散のギャップにより形成される、非平衡系相分離であることが示された。すなわち、速い熱の伝わりにより、ゲル網目の水和構造は不安定となり、相分離を形成する。この相分離は熱拡散と同程度の速さで許される構造変化であり、一時的に水の凝集構造が形成される。しかし、真の平衡はこの余剰の水をゲル系外に吐き出した状態であり、遅い拡散によってゆっくりゲル系外に排出され、最終的に新たな均一相からなる平衡状態に到達する。一方、ゲルを瞬時にガラス化温度まで上昇させると、相分離した構造はすでにガラス化しており、構造が凍結しているため相分離構造は維持され消失しない。さらに、水の拡散以下の熱拡散を実現する昇温速度では、変化は準静的過程であり、平衡を保ったまま、水がゲル系外に排出される。最終的に透明のままガラス化する。このように昇温速度を変えることで多彩な転移を示す材料であることが示された。
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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
これまでの高温で硬くなる性質だけでなく、温度の掛け方によって多彩な転移現象を示すことが明らかとなった。これは生物が季節変化や環境変化に順応する性質によく似ている。すなわち、温度変化が急激に起こると、構造変化が追随できず、不可逆な終状態に到達する。ゲルでは、高温でガラス化し構造がもとに戻らないことに対応する。一方、ゆっくり温度変化を起こせば、構造は一時的には不安定となるが次第にその環境に順応し、新たな平衡に到達する。これは相分離が一時的に形成され、その後解消されることに対応する。このような生物の順応に類似した構造変化は極めて珍しく、共通の原理が隠されているのかもしれない。
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| Strategy for Future Research Activity |
相分離ゲルの新たな温度応答性が明らかとなった。この現象がゲルの構造とどのような対応関係があるかを評価したい。具体的には、高分子ゲルの網目構造や化学種を種々変更し、構造のどのパラメータが支配因子かを明らかにする。ゲルの構造として、架橋剤の濃度や、苑の種類などを調整する。
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