ゲル力学挙動の精密解析による単一高分子鎖の伸長・破断挙動の実験的決定

• 研究課題/領域番号: 17H04891
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 高分子・繊維材料
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 中島 祐 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (80574350)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2019年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2018年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2017年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: 高分子科学 / ゲル / 単一高分子鎖 / 力学特性 / 破断特性 / 膨潤 / 高分子物理 / ダブルネットワークゲル / 一本鎖 / 弾性 / 破断 / 非線形弾性 / ゴム弾性 / 自己成長材料 / メカノケミストリー / 単一高分子 / ダブルネットワーク / 高分子鎖 / 分子モデル / 高分子構造・物性 / 破壊

研究成果の概要

高分子材料の力学的性質（強さ、伸びなど）は、その構成単位である高分子鎖の力学的性質によって決まるため、高分子鎖の力学的性質を実験的に測定することが望まれている。しかし、高分子鎖はナノスケールの分子であり、その力学的性質を実験的に測定する技術は発展途上である。本研究では、マクロスケール材料である高分子ゲルの延伸・膨潤試験の解析により、高分子鎖１本の、特にその破断直前の力学的性質を抽出することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高分子材料は、ゴム・プラスチック・ハイドロゲルなどとして社会で幅広く使われており、高分子材料なくして現代科学技術は成り立たない。本研究では、高分子材料の構成単位である高分子１本鎖の（特に極限伸長状態における）力学的性質を、ゲルの力学的性質の解析から抽出することに成功した。こうして得られた情報は、高分子材料の力学的性質（強さ、伸びなど）を理解するために極めて重要となると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Duke University(米国)
• [国際共同研究] Duke University(米国)
• [国際共同研究] Duke University(米国)
• [雑誌論文] Experimental Verification of the Balance between Elastic Pressure and Ionic Osmotic Pressure of Highly Swollen Charged Gels (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Tasuku、Hoshino Ken-ichi、Guo Honglei、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
  • 雑誌名: Gels 巻: 7 号: 2 ページ: 39-39
  • DOI: 10.3390/gels7020039
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Double-network gels as polyelectrolyte gels with salt-insensitive swelling properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Tasuku、Chida Takaharu、Mito Kei、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 16 号: 23 ページ: 5487-5496
  • DOI: 10.1039/d0sm00605j
  • NAID: 120007089527
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of the constituent networks of double-network gels on their mechanical properties and energy dissipation process (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Tasuku、Kurokawa Takayuki、Furukawa Hidemitsu、Gong Jian Ping
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 16 号: 37 ページ: 8618-8627
  • DOI: 10.1039/d0sm01057j
  • NAID: 120007160284
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tough Triblock Copolymer Hydrogels with Different Micromorphologies for Medical and Sensory Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhang Hui Jie、Luo Feng、Ye Yanan、Sun Tao Lin、Nonoyama Takayuki、Kurokawa Takayuki、Nakajima Tasuku
  • 雑誌名: ACS Applied Polymer Materials 巻: 1 号: 8 ページ: 1948-1953
  • DOI: 10.1021/acsapm.9b00395
  • NAID: 120006878356
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tough double network elastomers reinforced by the amorphous cellulose network (2019)
  • 著者名/発表者名: Murai Joji、Nakajima Tasuku、Matsuda Takahiro、Tsunoda Katsuhiko、Nonoyama Takayuki、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
  • 雑誌名: Polymer 巻: 178 ページ: 121686-121686
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2019.121686
  • NAID: 120007147245
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tough Double-Network Gels and Elastomers from the Nonprestretched First Network (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Tasuku、Ozaki Yuhei、Namba Ryo、Ota Kumi、Maida Yuki、Matsuda Takahiro、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
  • 雑誌名: ACS Macro Letters 巻: 8 号: 11 ページ: 1407-1412
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.9b00679
  • NAID: 120006896744
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanoresponsive Self-growing Hydrogels Inspired by Muscle Training (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Matsuda、Runa Kawakami、Ryo Namba、Tasuku Nakajima、Jian Ping Gong
  • 雑誌名: Science 巻: 363 号: 6426 ページ: 504-508
  • DOI: 10.1126/science.aau9533
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tough and self-recoverable thin hydrogel membranes for biological applications. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ye YN, Frauenlob M, Wang L, Tsuda M, Sun TL, Cui K, Takahashi R, Zhang HJ, Nakajima T, Nonoyama T, Kurokawa T, Tanaka S, Gong JP.
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials. 巻: 28 号: 31 ページ: 1801489-1801489
  • DOI: 10.1002/adfm.201801489
  • NAID: 120006712711
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Network Elasticity of a Model Hydrogel as a Function of Swelling Ratio: From Shrinking to Extreme Swelling State (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Hoshino、Tasuku Nakajima、Takahiro Matsuda、Takamasa Sakai、Jian Ping Gong
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 14 号: 47 ページ: 9693-9701
  • DOI: 10.1039/c8sm01854e
  • NAID: 120006775545
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] まるで生き物！高機能複合ゲルの世界 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中島 祐
  • 学会等名: 第176回東海高分子研究会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 破断誘起ラジカル重合によって強靭化・機能化するゲル (2020)
  • 著者名/発表者名: 中島 祐、松田 昂大、並木 昇太郎、グン 剣萍
  • 学会等名: 第69回高分子討論会
• [学会発表] 鎖の極限伸長がもたらす、ダブルネットワークゲルの伸長誘起「脱膨潤」挙動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 今岡 千歌、中島 祐、グン 剣萍
  • 学会等名: 第69回高分子討論会
• [学会発表] 強く伸長された網目鎖を有するゲルにおける力学－膨潤カップリングの逆転 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中島 祐、今岡 千歌、グン 剣萍
  • 学会等名: 第68回レオロジー討論会
• [学会発表] Extraction of polymer chain's force-extension relation from stress-strain relation of polymer network (2020)
  • 著者名/発表者名: 印出井 努、松田 昂大、中島 祐、高橋 由葵子、Tatiana B. Kouznetsova、Michael Rubinstein、Stephen L. Craig、グン 剣萍
  • 学会等名: 第68回レオロジー討論会
• [学会発表] Self-Growing Hydrogels Inspired by Biological Metabolism (2020)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Nakajima
  • 学会等名: 2020 Gordon Research Conference on Multifunctional Materials and Structures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DN ゲル中の強延伸高分子鎖が発現する特異的化学変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋由葵子、松田昂大、中島祐、印出井努、グン剣萍
  • 学会等名: 第31回高分子ゲル研究討論会
• [学会発表] 力学負荷が加速する化学反応：DNゲル中のジスルフィド結合の還元 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋由葵子、松田昂大、中島祐、印出井努、グン剣萍
  • 学会等名: 第54回高分子学会北海道支部研究発表会
• [学会発表] Self-Growing Hydrogels by Mechanical Training (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Matsuda, Tasuku Nakajima, Jian Ping Gong
  • 学会等名: 7th Asian Symposium on Advanced Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Self-growong gels inspired by metabolism (2019)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Nakajima
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Self-growing hydrogels through a metabolic-like mechanochemical process (2019)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Nakajima, Takahiro Matsuda, Jian Ping Gong
  • 学会等名: The 2nd Conference on Multiscale Mechanochemistry and Mechanobiology
  • 国際学会
• [学会発表] Mechano-induced network remodeling of a hydrogel via mechanoradical polymerization (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Matsuda, Runa Kawakami, Ryo Namba, Tasuku Nakajima, Jian Ping Gong
  • 学会等名: The 2nd Conference on Multiscale Mechanochemistry and Mechanobiology
  • 国際学会
• [学会発表] 3D Transformation of Double Network Hydrogels via Origami (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Yamazaki, Takahiro Matsuda, Tasuku Nakajima, Jian Ping Gong
  • 学会等名: The 2nd Conference on Multiscale Mechanochemistry and Mechanobiology
  • 国際学会
• [学会発表] Stress Responsive Disulfide Bond Reduction in Tough Double Network Hydrogels (2019)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Nakajima, Yukiko Takahashi, Takahiro Matsuda, Jian Ping Gong
  • 学会等名: 2nd ICReDD International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 筋肉のように力学負荷によって成長するダブルネットワークゲルの創製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松田昂大、中島祐、難波遼、グン剣萍
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] DNハイドロゲル折り紙 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山崎友子、難波遼、松田昂大、中島祐、グン剣萍
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] 高分子鎖一本の張力・伸長関係を、高分子ゲルの応力・歪み曲線から抽出する (2019)
  • 著者名/発表者名: 印出井努、松田昂大、高橋由葵子、中島祐、グン剣萍
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 塩水から選択的に水だけを吸収する、疎水性高膨潤ハイドロゲル (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島祐、Guo Hui、黒川孝幸、グン剣萍
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 網目の伸びきりによるDNゲルのエネルギー弾性の発現 (2019)
  • 著者名/発表者名: 今岡千歌、中島祐、岩田昌也、松田昂大、勝山吉徳、グン剣萍
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 変形誘起重合反応による「鍛えると成長する」ダブルネットワークゲル (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島祐、松田昂大、難波遼、グン剣萍
  • 学会等名: 第30回高分子ゲル研究討論会
• [学会発表] Effect of Swelling on Network Elasticity of Hydrogel: from Shrinking State to Highly Swollen State (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Hoshino, Tasuku Nakajima, Takahiro Matsuda, Honglei Guo, Takamasa Sakai, Jian Ping Gong
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Polymer Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Self-toughening of DN Gels Induced by Mechanical Stimulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Namba, Takahiro Matsuda, Tasuku Nakajima, Takayuki Nonoyama, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong
  • 学会等名: Japan-Korea Joint Symposium on Polymer Science 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 延伸されたDNゲル内における１stネットワークの伸びきり挙動の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 今岡千歌、中島祐、岩田昌也、難波遼、松田昴大、勝山吉徳、グン剣萍
  • 学会等名: 2018年度北海道高分子若手研究会
• [学会発表] 変形誘起ラジカル重合による「鍛えると強くなる」ダブルネットワークゲルの創製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松田昂大、中島祐、難波遼、グン剣萍
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
• [学会発表] 大変形下での高分子鎖の切断を考慮した、ゴム弾性の分子モデル －ダブルネットワークゲルの解析－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 印出井努、松田昂大、高橋由葵子、中島祐、グン剣萍
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
• [学会発表] DNゲルのヒステリシス解析による単一高分子鎖の挙動抽出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高橋由葵子、松田昂大、中島祐、印出井努、野々山貴行、黒川孝幸、グン剣萍
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
• [学会発表] Effect of Solvent on Deformation and Fracture Behaviors of DN Gels (2018)
  • 著者名/発表者名: Yong Zheng, Takahiro Matsuda, Tasuku Nakajima, Jian Ping Gong
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
• [学会発表] ゲル各種力学測定による極高伸長域に至る単一高分子鎖の力学物性解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島祐、松田昂大、印出井努、高橋由葵子、黒川孝幸、グン剣萍
  • 学会等名: 第66回レオロジー討論会
• [学会発表] 極めて大きく膨潤するゲルの膨潤理論 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島祐、星野顕一、酒井崇匡、グン剣萍
  • 学会等名: 第29回高分子ゲル研究討論会
• [学会発表] Toughening of Soft Materials Based on Sacrificial Bond Principle (2017)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Nakajima
  • 学会等名: Japan-Taiwan Bilateral Symposium on Polymeric Materials for Future Vehicles
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrogels with Multi-Cylindrical Lamellar Bilayers: Swelling-Induced Contraction and Anisotropic Molecular Diffusion (2017)
  • 著者名/発表者名: Tasuku Nakajima, Kei Mito, Md. Anamul Haque, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong
  • 学会等名: The 2nd International Symposium for Advanced Gel Materials & Soft Matters
  • 国際学会
• [学会発表] 人工腱を目指した強配向・高強度生体高分子ゲルの創製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中島祐、Md. Tariful Islam Mredha、黒川孝幸、野々山貴行、グン剣萍
  • 学会等名: 第66回高分子年次大会
• [備考] LSW:北海道大学 ソフト＆ウェットマター研究室
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/