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2019 年度 実績報告書

ソフトフォトニッククリスタルの創製

計画研究

研究領域ソフトクリスタル:高秩序で柔軟な応答系の学理と光機能
研究課題/領域番号 17H06376
研究機関北海道大学

研究代表者

グン 剣萍  北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (20250417)

研究分担者 黒川 孝幸  北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (40451439)
野々山 貴行  北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (50709251)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード高分子構造・物性 / ソフトクリスタル / 構造色 / 生体模倣 / 刺激応答
研究実績の概要

1.レーザー刻印による自在な構造色応答を示すラメラゲル
脂質二分子膜と高分子ネットワークが交互に積層されたラメラゲルは、構造色を示し指圧程度の弱い力で膜間隔が変化し構造色が連続的に変化するソフトクリスタルである。このゲルに高強度レーザーでパターンを刻印すると膜が破壊され、そこへ高分子ネットワークと反応する物質を拡散させることで、局所的に高分子を改質することができる。この改質された高分子ネットワークは元のものと比べて、膨潤度が異なるため、レーザー刻印に沿った構造色の変化が観察され、ゲル材料全体を目的の形状に変形することができ、構造色ゲルのさらなる多機能化の技術として期待できる。
2.高温で1000倍以上弾性率がジャンプする相分離ゲル
一般的な高分子は低温で硬いガラス状態、高温で柔らかいゴム状態をとる。この性質とは逆の昇温過程におけるゴム-ガラス転移を示すゲルを初めて合成した。このゲルは、スピノ-ダル分解型の相分離を示し、ある温度以上では高分子濃厚相と希薄相に分離する。これまでの相分離ゲルは、強い相分離を達成できず、濃厚相は依然としてゴム状態であり弾性率の向上も大きくはなかった。本ゲルは、好熱菌のタンパク質が高温でも変性せずに構造を安定化させている機構を導入した。具体的には静電相互作用が疎水環境で増強されることを利用し、相分離後の高分子濃厚相(低含水率)にイオン結合が取り込まれることで、高分子間の相互作用が急激に上昇し、ガラス状態へ達する。その結果、弾性率が瞬時に3桁以上ジャンプする。この性質を利用して、事故の際に発生する摩擦熱を利用して硬くなるリアクティブプロテクターを試作し、優れた耐摩擦性を示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

脂質二分子膜ゲルは、膜の配向を保つために大きなせん断応力を掛けて、分子の配向が緩和する前に重合して構造を固定することで作製しているため、単一色のゲルは作製できても精細なデザインには課題があった。機械制御のレーザー刻印による局所的改質によって、自在な構造色パターンとゲルの変形をチューニング可能となった。
相分離ゲルでは、これまでの高分子の常識を覆す逆のガラス転移現象を示す初めての材料の合成に成功した。この相分離は、既存のゲルと比べて極めて高速で大きな熱吸収を伴う。これにより、プロテクターなどの高速応答が求められる応用や、吸熱剤としての応用が期待できる。本成果は、材料分野で権威ある雑誌Advanced Materials (IF=25.6)に掲載され、カバーアートにも採択された。以上より概ね順調に進んでいると判断した。

今後の研究の推進方策

1)ラメラ構造を有する構造色ゲルの構造解析を、小角X線散乱、偏光顕微鏡及び透過型電子顕微鏡を用いて行う。比較的硬い二分子膜と柔らかい高分子網目が積層された本構造色ゲルの破壊過程において、硬い二分子膜が亀裂の進行を抑制していことで、マクロの靭性が向上していると考えられるため、二分子膜の並びとゲルの強靭性の関係性を評価する。
2)高温で弾性率が3桁以上ジャンプする相分離ゲルの熱物性及び構造形成過程の評価を行う。前年に引き続き、東京工業大学 森川淳子教授の温度波熱分析装置を用いて、相分離構造の形成と成長、及びゴム-ガラス転移の際の熱伝導率の変化を測定する。また、名古屋大学 内橋貴之教授の高速原子間力顕微鏡技術を用いて、相構造の形成の直接観察と高分子濃厚相及び希薄相の弾性率測定を行う。
3)青山学院大学 長谷川美貴教授の開発した水分子と配位するソフトクリスタルは、溶液状態の水とハイドロゲル中の水では、発光特性が異なる知見が得られている。様々なハイドロゲルを作製し、それらの水分子の構造とソフトクリスタルの発光特性の関係性を評価する。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 6件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of Wollongong(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      University of Wollongong
  • [国際共同研究] Cornell University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Cornell University
  • [国際共同研究] ESPCI Paris(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      ESPCI Paris
  • [国際共同研究] South China University of Technology/Zhejiang University/Southern Univ of Sci and Tech(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      South China University of Technology/Zhejiang University/Southern Univ of Sci and Tech
  • [雑誌論文] Fabrication of Bioinspired Hydrogels: Challenges and Opportunities2020

    • 著者名/発表者名
      Fan Hailong、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 53 ページ: 2769~2782

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.0c00238

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Non-linear rheological study of hydrogel sliding friction in water and concentrated hyaluronan solution2020

    • 著者名/発表者名
      Hirayama Satoshi、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Tribology International

      巻: 147 ページ: 106270~106270

    • DOI

      10.1016/j.triboint.2020.106270

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Meet the phase-separation polymeric gel2020

    • 著者名/発表者名
      Nonoyama Takayuki、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      The Innovation Platform

      巻: 1 ページ: 73~74

  • [雑誌論文] Superior fracture resistance of fiber reinforced polyampholyte hydrogels achieved by extraordinarily large energy-dissipative process zones2019

    • 著者名/発表者名
      Huang Yiwan、King Daniel R.、Cui Wei、Sun Tao Lin、Guo Honglei、Kurokawa Takayuki、Brown Hugh R.、Hui Chung-Yuen、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 7 ページ: 13431~13440

    • DOI

      10.1039/C9TA02326G

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrophobic Hydrogels with Fruit‐Like Structure and Functions2019

    • 著者名/発表者名
      Guo Hui、Nakajima Tasuku、Hourdet Dominique、Marcellan Alba、Creton Costantino、Hong Wei、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 31 ページ: 1900702~1900702

    • DOI

      10.1002/adma.201900702

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Facile synthesis of novel elastomers with tunable dynamics for toughness, self-healing and adhesion2019

    • 著者名/発表者名
      Chen Liang、Sun Tao Lin、Cui Kunpeng、King Daniel R.、Kurokawa Takayuki、Saruwatari Yoshiyuki、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry A

      巻: 7 ページ: 17334~17344

    • DOI

      10.1039/C9TA04840E

    • 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 network2019

    • 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

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Polyelectrolyte complexation via viscoelastic phase separation results in tough and self-recovering porous hydrogels2019

    • 著者名/発表者名
      Murakawa Kohei、King Daniel R.、Sun Taolin、Guo Honglei、Kurokawa Takayuki、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry B

      巻: 7 ページ: 5296~5305

    • DOI

      10.1039/C9TB01376H

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Internal Damage Evolution in Double-Network Hydrogels Studied by Microelectrode Technique2019

    • 著者名/発表者名
      Guo Honglei、Hong Wei、Kurokawa Takayuki、Matsuda Takahiro、Wu Zi Liang、Nakajima Tasuku、Takahata Masakazu、Sun Taolin、Rao Ping、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 52 ページ: 7114~7122

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.9b01308

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Instant Thermal Switching from Soft Hydrogel to Rigid Plastics Inspired by Thermophile Proteins2019

    • 著者名/発表者名
      Nonoyama Takayuki、Lee Yong Woo、Ota Kumi、Fujioka Keigo、Hong Wei、Gong Jian Ping
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 32 ページ: 1905878~1905878

    • DOI

      10.1002/adma.201905878

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 極限相分離を利用した逆ガラス転移現象2020

    • 著者名/発表者名
      野々山 貴行
    • 学会等名
      知の協奏を目指すソフトおよびナノマテリアル研究会2020(SNOWJ2020)
  • [学会発表] Quick & Reversible Thermo-Robustizing Hydrogels Exhibiting 1000 Times Modulus Jump2019

    • 著者名/発表者名
      Nonoyama Takayuki
    • 学会等名
      International Symposium on Biopolymer Synthesis and Degradation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogel Possessing Rubbery-to-Glassy Transition at Elevated Temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Nonoyama Takayuki
    • 学会等名
      China-Japan Joint Symposium for Young Polymer Scientists
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Robust Phase-Separation Induced Rubbery-to-Glassy Transition at Elevated Temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Nonoyama Takayuki
    • 学会等名
      Seminar at Shaanxi University of Science & Technology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高温で瞬時に弾性率が1000倍以上ジャンプするソフトマテリアル2019

    • 著者名/発表者名
      野々山 貴行
    • 学会等名
      第28回ポリマー材料フォーラム
  • [学会発表] 多重膜構造を有する機能性微粒子ゲルの創製2019

    • 著者名/発表者名
      堀端 修人、黒川 孝幸、グン 剣萍
    • 学会等名
      第28回ポリマー材料フォーラム
  • [備考] 研究室ホームページ

    • URL

      http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/index.html

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公開日: 2021-01-27  

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