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2019 年度 実績報告書

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

研究課題/領域番号 17H04891
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
キーワード高分子物理 / ゲル / ダブルネットワークゲル / 一本鎖 / 弾性 / 破断
研究実績の概要

本研究では、高分子1本鎖の極限伸長にまで至る力学物性を、ゲルの力学物性から抽出することを目標としている。
昨年度までに、ダブルネットワークゲルの力学測定からそれを構成する高分子1本鎖の力学物性を実験的に抽出することに成功している。本年度は、本結果の理論的妥当性について、理論科学者と共同で検討した。結果、延伸度や鎖の向きに分布があるようなネットワークを大きくアフィン変形させると、延伸軸方向を向いた、伸び切りに近いごく一部の鎖が、ゲルの応力に極めて大きく寄与することが分かった。従って、高伸長域においては、ゲルの応力-歪曲線の形状は、このような伸び切りに近い鎖の力-変位曲線のそれと対応することが理論的に予測された。この予測は、先に示した実験結果と対応するものである。
また、ゲル内部における高分子の極限伸長を示す証拠として、通常とは逆の膨潤-力学カップリング現象を発見した。一般に、平衡膨潤状態のゲルを延伸して固定し、溶媒に浸漬させると、ゲルは外部の溶媒を取り込み膨潤する。一方、高分子鎖が極限伸長したゲルに対して同様の操作を行うと、延伸に伴い溶媒を吐き出して脱膨潤することが分かった。また一般に、ゲルをある長さで固定したまま脱膨潤させると応力は上昇する。一方、極限伸長ゲルでは脱膨潤に従って応力が減少することが分かった。これらの膨潤-力学関係の逆転現象は、線形弾性モデルであるNeo-Hookeanモデルのみならず、高分子材料の非線形性を記述する代表的な現象論的モデルであるGentモデルを用いても説明出来ない。高分子鎖の極限伸長を記述するには、より高次の項を含んだモデルが必要である。この事実は、極限伸長の高分子鎖を記述する関数系について大きなヒントを与えてくれるものである。

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

本年度は、これまでに実現された「ゲルの力学物性解析から高分子1本鎖の力学曲線が得られること」の理論的裏付けに成功し、実験結果の正当性を確かめることが出来た。また、高分子鎖が確かにゲル内部で極限延伸している、という実験的な裏付けを得ることが出来た。

今後の研究の推進方策

次年度は、今年度得られた測定理論を更に深化させて論文を投稿する。また、本結果および膨潤-力学カップリング現象の精緻な考察から、高分子鎖を極限延伸させた際の関数系を導くことを試みる。さらに、ゲルの膨潤、延伸実験の結果から、高分子鎖の破断点についての検証も行う。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 6件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Tough Triblock Copolymer Hydrogels with Different Micromorphologies for Medical and Sensory Materials2019

    • 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 ページ: 1948~1953

    • DOI

      10.1021/acsapm.9b00395

    • 査読あり / 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] Tough Double-Network Gels and Elastomers from the Nonprestretched First Network2019

    • 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 ページ: 1407~1412

    • DOI

      10.1021/acsmacrolett.9b00679

    • 査読あり
  • [学会発表] Self-Growing Hydrogels Inspired by Biological Metabolism2020

    • 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 Training2019

    • 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 metabolism2019

    • 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 process2019

    • 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 polymerization2019

    • 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 Origami2019

    • 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 Hydrogels2019

    • 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

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公開日: 2022-12-28  

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