非線形特性を活用した化学エネルギーからマクロな力学的エネルギへの直接変換

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05836014
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 吉川 研一 名古屋大学, 人間情報学研究科, 教授 (80110823)
• キーワード: Curie-Prigogineの定理 / BZ反応 / 能動輸送 / 筋肉モデル / 非線形 / 非平衡 / 油水二相における界面運動 / 化学-機械エネルギー直接変換

研究概要

本申請者らは既に非線形特性を活用することにより化学エネルギーから直接巨視的なベクトル性(油水界面の巨視的運動や三相交流電力)を取り出すことが可能であることを既に見つけていたが、今回の研究でさらに次のような成果を得た。
(1)濃度勾配による化学ポテンシャルを利用したマクロな運動
油水二相系において界面活性剤存在下で溶質濃度を非平衡にして、境界条件(実験系のミクロなキラリティ)の対称性を利用すると、直径10cm程度のシャーレ内でコントロールされた一方向(右回りと左回り)の回転運動が起こる。これは、分子レベル、Åのオーダーの世界に源のある力が、107〜108ものスケールの違いを乗り越えてcmのオーダーの方向の揃った力を発生しているという興味深い現象であるが、本研究においてこの現象のメカニズムの解明に成功した。またこの系のエネルギー変換効率を計算することにより、40〜64%という非常に高い効率であることが明らかになった。
(2)化学反応による界面での周期的な張力発生とマクロな運動
マロン酸などの基質を触媒存在下、臭素酸酸化させると、酸化還元電位が周期的に振動する(ベロ-ゾフ・ジャボチンスキー反応:BZ反応)。昨年度ははこの系において、さらに表面張力が周期的に振動することを発見した。本年度は、この現象が界面活性を有する触媒を用いたときのみ起こることを見いだした。つまり表面張力の振動は界面活性を有する反応触媒の価数の変化によって引き起こされることを明らかにした。さらに、表面を気水界面から油水界面に変えることによって表面張力振動の振幅が増大することを発見した。

研究成果

• [文献書誌] M.Yoshimoto: "Coupling among Three Chemical Oscillators:Synchronization,Phase“Death and Frustration."" Phys.Rev.E.47. 864-874 (1993)
• [文献書誌] N.Mohri: "Characteristic Response of Electrochemical Nonlinearity to Taste Compounds with a Gold Electrode Modified with 4-Aminobenzenethiol." Bull.Chem.Soc.Jpn.,. 66. 1328-1332 (1993)
• [文献書誌] Y.Kato: "Chemical sensing based on the informational source of nonlinear dynamics." International joint conference on neural networks(IJCNN´93),. 1. 1019-1022 (1993)
• [文献書誌] Y.Kato: "Novel method of chemical sensing based on nonlinear response.Amodel of olfactory reception." Fourth intemational symposium on micro machine and human science. 203-308 (1993)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "Generation of periodic force with oscillating chemical reaction." Chem.Phys.Lett.211. 211-213 (1993)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "Chemomechanical Transduction in an Oil-Water System.Regulation of the Macroscopic Mechanical Motion" Bull.Chem.Sco.Jpn.66. 3352-3357 (1993)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "“Self-excitable molecular assembly towards the development of neurocomputer,intelligent sensor and mechanochemical transducer." New Functionality Materials pp.B. 295-300 (1993)
• [文献書誌] 吉川研一: "非線形非平衡のダイナミクス" 日経サイエンス. 7. 22-31 (1993)
• [文献書誌] 加藤陽: "表面化学反応における秩序とカオス" 可視化情報. 13(50). 14-19 (1993)
• [文献書誌] 楠見敏則: "非平衡開放系でのパターンダイナミクス-カルシウム波" 化学. 48(10). 732-733 (1993)
• [文献書誌] 吉川研一: "生命体モデルとしての自律的化学システム" 計測と制御. 32(10). 822-829 (1993)
• [文献書誌] K.Yoshikawa: "Rhythms and Bifurcation in Membranes and Interface" (Eds.),Physics of the Living State,pp.45-55 (1994)
• [文献書誌] M.Makino: "Autocatalytic Aggregation of Fatty Acid with Phenyl and Diacetylene Moieties at an Air-Water Interface" Langmuir. 10,4,. 1287-1291 (1994)
• [文献書誌] J.Gorecki: "Moleculer dynamics simulations of nonequilibrium spatial correlation in a reaction diffusion system" Phisyca A. 211. 327-343 (1994)
• [文献書誌] T.Kusumi: "Oscillating Chemical Reaction in Oil/Water Systems,Generation of Macroscopic Oscillatory Force" In“FAR-FROM-EQUILIBRIUM DYNAMICS OF CHEMICAL SYSTEMS. 87-94 (1994)
• [文献書誌] 松浦弘智: "分子モーターと化学-機械エネルギー変換" 化学. 49.670-671 (1994)
• [文献書誌] 吉川研一: "化学反応系の非線形ダイナミクス-結合振動系を中心に" 応用数理. 4. 238-258 (1994)
• [文献書誌] 北原和夫,田中豊一編: "生命現象と物理学" 朝倉書店, 160 (1994)
• [文献書誌] 北原和夫,吉川研一: "非平衡系の科学I〜反応・拡散・対流の現象論" 講談社, 202 (1994)
• [文献書誌] 森義仁、中田聡: "非線形現象〜時空間に繰り広げられるドラマ" 産業図書, 182 (1994)