自励発振ゲルを用いた化学ダイオードの作成

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15655067
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉田 亮 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (80256495)
• キーワード: 高分子ゲル / N-イソプロピルアクリルアミド / 刺激応答性高分子 / 自励振動 / ベローソフ・ジャボチンスキー反応 / 振動反応 / 非線形化学 / インテリジェント材料

研究概要

本研究では、心臓の拍動のように一定条件下で自発的な周期的リズム連動を行う新しい「自励振動ゲル」を開発した。すなわち、生体の代謝反応(TCA回路)の化学モデルにもなっている、循環する反応回路を持つベローソフ・ジャボチンスキー反応(BZ反応)をゲル内で引き起こし、その化学エネルギーを力学エネルギーに転換する分子設計を行うことによりゲルの周期的な膨潤収縮振動を生み出すことに成功した。この自励振動ゲルを利用することにより、自ら周期運動するマイクロアクチュエータ、自己拍動(蠕動)型マイクロポンプ、分子ペースメーカー、情報伝達素子など新しい分子シンクロ材料が設計可能になると考えられる。本研究では、とくに情報伝達素子への応用という立場から、ゲル内に生じる化学反応波の伝播の解析とそれを利用した材料システム構築に関する基礎的検討を行った。
ゲルが化学反応波の波長以上のサイズになると、反応と拡散のカップリングによって化学反応波が生まれる。すなわち、ペースメーカーとなる部位から興奮状態である酸化状態の波が周期的に派生し、媒体中を伝播する。細長い矩形状や円筒状などゲルを一次元的な形状にすると、引き込み現象の結果、末端から長軸に沿って一方向に伝播する波が生まれる。酸化状態のときゲルは膨潤するので、波の伝播と共に局所的な膨潤領域が一定速度でゲル中を伝播することになる。すなわちゲル組織の中で蠕動運動のような膨潤・収縮振動が生じる。シリカコロイド結晶を鋳型にしてゲルを作成し、膨潤収縮変化よる構造色変化を詳細に解析した結果、実際に蠕動運動が生じていることが確認された。

研究成果

• [文献書誌] T.Sakai, R.Yoshida: "Self-oscillating nanogel particles"Langmuir. 20(4). 1036-1038 (2004)
• [文献書誌] Y.Takeoka, M.Watanabe, R.Yoshida: "Self-sustaining peristaltic motion on the surface of a porous gel"J.Am.Chem.Soc.. 125(44). 13320-13321 (2003)
• [文献書誌] Y.Ito, M.Nogawa, R.Yoshida: "Temperature Control of the Belousov-Zhabotinsky Reaction Using a Thermoresponsive Polymer"Langmuir. 19(23). 9577-9579 (2003)
• [文献書誌] S.Sasaki, S.Koga, R.Yoshida, T.Yamaguchi: "Mechanical oscillation coupled with the Belousov-Zhabotinsky reaction in gel"Langmuir. 19(14). 5595-5600 (2003)
• [文献書誌] R.Yoshida, K.Takei, T.Yamaguchi: "Self-beating motion of gels and modulation of oscillation rhythm synchronized with organic acid"Macromolecules. 36(6). 1759-1761 (2003)
• [文献書誌] 吉田 亮: "化学振動反応を利用した自励振動ゲルの設計"Electrochemistry(電気化学および工業物理化学). 71(5). 337-341 (2003)
• [文献書誌] 吉田 亮: "高分子ゲル(高分子先端材料One Point)"共立出版(印刷中). (2004)