非平衡反応場における運動リズムのシンクロナイゼーション

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13022243
• 研究機関: 奈良教育大学
• 研究代表者: 中田 聡 奈良教育大学, 教育学部, 助教授 (50217741)
• 研究分担者: 松村 竹子 奈良教育大学, 教育学部, 教授 (60031556)
• キーワード: 分子シンクロ / 非平衡 / シンクロナイゼーション / 自律運動 / 結合振動子 / 非線形振動子 / 界面運動 / 異方性

研究概要

・不安定性を誘発する自律運動系の開発
樟脳の自律運動においては、界面張力の変化と共に、樟脳粒と水面との接触面を中心にマランゴニ対流が生じる。マランゴニ対流の大きさは、界面張力差(又は界面活性物質の濃度差)に依存する。これは平衡状態への移行が対流の増幅による不安定性を誘発することが可能となることが推測される。このような平衡状態と不安定性のバランスを利用した運動モード制御を行う。本実験では、プラスチック円板裏面の中心にそれよりも表面積の小さい樟脳円盤を付着し、樟脳側を水面に浮かべる実験を行った。これにより、プラスチック樟脳円盤は、樟脳膜が展開するまで停止状態を作ることができると共に、蓄積量がある閾値をこえると、運動を始める間欠運動を作成することができる。つまり、プラスチック円板の表面積が大きいほど、間欠運動の停止時間を長くすることができる。また停止状態からある方向への運動の移行は、マランゴニ対流の摂動が異方性を与えると考えられる。
・開放系における内場と外場のシンクロナイゼーション
一般に化学反応系は、試薬を投入後は境界に関らない均一な閉鎖系である。それに対して細胞での反応は、細胞内で化学物質の流動(不均一性)、細胞内外間の物質移動(開放系)、及び細胞膜という境界の活用および形状変化が伴う。本実験では開放系である境界条件に自由度(可動、形状変化可能)を与えることにより、外的および内的環境変化に依存して多様なシンクロナイゼーションを誘発する系を開発する。具体的には、自律運動素子を物質の出入りの可能な可動セル内に配置し、可動セルと素子とのシンクロナイゼーションによりさまざまな運動モードを発現する実験を行った。まず、公転樟脳に可動セルを浮かべると、可動セルが交点方向とは逆の回転運動を示した。それに対して、可動セル中に同じ樟脳を浮かべても、樟脳は公転運動を示さず、可動セルも回転しなかったが、間欠運動になった。つまり、初期条件を変えて異なる運動モードを発現することに成功した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Hayashima, M.Nagayama, Y.Doi, S.Nakata, M.Kimura, M.Iida: "Self-motion of a camphoric acid boat sensitive to the chemical environment"Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP). 4. 1369-1392 (2002)
• [文献書誌] S.Nakata, Y.Doi, Y.Hayashima: "Intermittent motion of a camphene disk at the center of a cell"Journal of Physical Chemistry. B106. 11681-11684 (2002)
• [文献書誌] S.Nakata, H.Kitahata, A.Terada, T.Matsuryama: "Mode-switching in the flow of water into a cup"Chemical Physics Letters. 351. 379-384 (2002)
• [文献書誌] S.Nakata, K.Neya, T.Hashimoto: "A semiconductor gas sensor based on nonlinearity: utilization of the effect of competition on the sensor responses to gaseous mixtures"Electroanalysis. 14. 881-887 (2002)
• [文献書誌] S.Nakata, T.Hashimoto, H.Okunishi: "Evaluation of the responses of a semiconductor gas sensor to gaseous mixtures under the application of temperature modulation"Analyst. 127. 1642-1648 (2002)
• [文献書誌] Satoshi Nakata, Yukie Doi: "Mode-emergence in the synchronized sailing of camphor boats"Advances in Complex Systems. (In press).
• [文献書誌] Satoshi Nakata (editor): "Chemical sensor based on nonlinearity"NOVA scientific publications(In press).