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2022 年度 実績報告書

スマートマテリアルに駆動力と機能を付与するレーザープロセシング技術の確立

研究課題

研究課題/領域番号 22H03958
配分区分補助金
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

寺川 光洋  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (60580090)

研究分担者 尾上 弘晃  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30548681)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
キーワードレーザープロセシング / スマートマテリアル / ハイドロゲル
研究実績の概要

2022年度は、ハイドロゲルに金属イオンを含有させ、内部にフェムト秒レーザーを集光・走査することで三次元の金属微細構造を作製する研究を実施した。実験研究により、金属グレーティング構造を作製し、同構造を用いてバイオセンシングを行った。まず、ハイドロゲルにグルタミンを含有させることでレーザー非照射部における金ナノ粒子の生成を抑制し、グレーティング構造の吸光スペクトルを狭帯域化した。尿素でのみグレーティング構造の吸光スペクトルの短波長側へのシフトが確認され、この結果は尿素選択的なプラズモニックセンサの実現に寄与すると考えられる。また、刺激応答性ハイドロゲル内部への金属微細構造の作製を行い、ハイドロゲル構造の駆動において必要となる光熱変換用の光吸収体として利用した。ハイドロゲルの体積相転移を活用して、マイクロ流路内の流速変化が可能であることを実験的に示した。以上の成果をとりまとめ、原著論文として公刊した。さらに、構造作製中の体積相転移を抑制することを目的として、レーザーの高速走査システムを構築した。また、研究開始当初は発想していなかった内容であるが、前駆体材料をハイドロゲルに含有させることで、ハイドロゲル表面に導電性の黒鉛化炭素構造を作製できることを見出した。アガロースゲルにリグニンを含有させ、フェムト秒レーザーを照射することにより作製された導電性構造を用いて電気二重層キャパシタを作製した。このハイドロゲルへの微細構造作製技術は、本研究の目的であるスマートマテリアルに機能を付与することに大きく貢献する。具体的には光吸収体作製による光学特性の付与、光吸収を介した駆動力の付与、さらに、電気的特性の付与が期待できる。以上の研究において、レーザー照射に関する研究全般を研究代表者の寺川が、ハイドロゲルの作製ならびに選定を研究分担者の尾上が担当した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

予定通り、作製構造の光吸収スペクトルの狭帯域化、プラズモニックセンシングへの応用、刺激応答性ハイドロゲルの体積相転移による駆動を実施するとともに、研究開始時は発想していなかった新たな技術としてレーザーを用いたハイドロゲルへの黒鉛化炭素構造の作製技術を実現した。

今後の研究の推進方策

当初の研究計画に沿って実施するとともに、本研究目的の達成に有用である新たに見出した黒鉛化炭素構造の作製技術も活用して研究を遂行する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件)

  • [国際共同研究] Leibniz University Hannover(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Leibniz University Hannover
  • [雑誌論文] Formation of gold nanoparticles inside a hydrogel by multiphoton photoreduction for plasmonic sensing2023

    • 著者名/発表者名
      Keiki Muranaka, Takuro Niidome, Maria Leilani Torres-Mapa, Alexander Heisterkamp, Mitsuhiro Terakawa
    • 雑誌名

      Plasmonics

      巻: 18 ページ: 751-760

    • DOI

      10.1007/s11468-023-01804-1

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct patterning of conductive structures on hydrogels by laser-based graphitization for supercapacitor fabrication2023

    • 著者名/発表者名
      Rikuto Miyakoshi, Shuichiro Hayashi, Mitsuhiro Terakawa
    • 雑誌名

      Advanced Electronic Materials

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1002/aelm.202201277

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Light-driven flow control in the hydrogel microchannel by utilizing a metal microstructure fabricated by multiphoton photoreduction2022

    • 著者名/発表者名
      Yo Nagano, Hiroaki Onoe, and Mitsuhiro Terakawa
    • 雑誌名

      Optical Materials Express

      巻: 12 ページ: 3303-3312

    • DOI

      10.1364/OME.468771

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アルギン酸ハイドロゲルへのレーザー照射による導電性黒鉛質炭素構造の作製2023

    • 著者名/発表者名
      服部雄真, 宮越陸人, 伊藤茜, 尾上弘晃, 寺川光洋
    • 学会等名
      第70回 応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] フェムト秒レーザーの高速走査による温度応答性ハイドロゲル内部の多光子還元2023

    • 著者名/発表者名
      柏川健, 尾上弘晃, 寺川光洋
    • 学会等名
      第70回 応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] ハイドロゲル内部にレーザー描画した金構造を用いたセンシングにおける検体選択性2023

    • 著者名/発表者名
      村中景輝, 新留琢朗, Maria Leilani Torres, Alexander Heisterkamp, 寺川光洋
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • [学会発表] Hydrogel Supercapacitor Fabricated by Lignin-Mediated Laser-Induced Graphitization2022

    • 著者名/発表者名
      Rikuto Miyakoshi, Shuichiro Hayashi, Mitsuhiro Terakawa
    • 学会等名
      2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会
  • [学会発表] Spatially-Targeted Reinforcement of Hydrogel Microstructure by Cross-Linking of Double Network Hydrogels Using Femtosecond Laser2022

    • 著者名/発表者名
      Kaneto Tsunemitsu, Akira Watanabe, Hiroaki Onoe, Mitsuhiro Terakawa
    • 学会等名
      2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会
  • [学会発表] リグニン含有ハイドロゲルのレーザー炭化による電気二重層キャパシタの作製2022

    • 著者名/発表者名
      宮越陸人、林秀一郎、寺川光洋
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Multiphoton Photoreduction for Biomimetic Applications of Hydrogels2022

    • 著者名/発表者名
      Yo Nagano, Kaneto Tsunemitsu, Mitsuhiro Terakawa
    • 学会等名
      CLEO Pacific Rim 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Urea-Selective Plasmonic Sensing with Gold Microstructures Fabricated by Multi-Photon Photoreduction inside a Hydrogel2022

    • 著者名/発表者名
      Keiki Muranaka, Yo Nagano, Mitsuhiro Terakawa
    • 学会等名
      23rd International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of hydrogel for dynamic and wavelength-selective optical switching by using multiphoton-photoreduction2022

    • 著者名/発表者名
      Hirofumi Tomikawa, Yo Nagano, Kaneto Tsunemitsu, Mitsuhiro Terakawa
    • 学会等名
      16th International Conference on Laser Ablation (COLA2021/2022)
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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