植物の力学的最適化過程のセンシングのためのレーザー描画による機能性パターン形成

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
• 研究課題/領域番号: 19H05356
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 渡辺 明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (40182901)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 植物 / 力学的最適化 / センシング / レーザー直接描画 / 機能性パターン

研究実績の概要

本研究では、植物、植物由来材料および構造物の力学的最適化過程とサステナブル性の解明を目的として，レーザー直接描画法により形成した機能性パターンや種々センサーを用いた非破壊・リアルタイムセンシング法の開拓を行った。植物の変異過程の可視化解析のための微細マーキング法に関する検討では，植物の動的挙動を阻害しない可視化解析のための微細マーキング法として，植物表皮を覆うクチクラへのレーザーマーキングの検討を行った。これを植物（豆苗）の茎へ適用後にトルイジンブルー染色し，屈曲挙動における各マーキング点の変位ベクトルの解析を行った。垂直方向への変異が各マーキング点で示され，植物は屈曲と伸長のバランスを制御しながら力学的な最適化構造へ向かっていくことが示唆された。植物の力学的な挙動の支配因子の一つである細胞壁の膨圧に関連した情報のリアルタイムセンシングの検討を，アンテナ型センサーを用いて行った。植物の水の状態変化によってアンテナ周囲の誘電環境が変化することを利用したマイクロ波帯アンテナ型センサーによる測定を行ったところ，タイムラプスビデオによる豆苗の茎先端の軌跡解析とアンテナ型センサーからの信号変化には相関が示された。また，クロロフィル遅延蛍光観察による外的ストレスに対する植物のサステナブル性に関して，植物の生理活性に関係する指標と成り得るクロロフィルの遅延蛍光を用いた植物の動的過程でのストレスに関する検討を行った。豆苗の重力屈性に伴う遅延蛍光強度の減少が観察された

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

本研究では，外部刺激に応答した植物，植物由来材料および構造物の力学的最適化過程とサステナブル性の解明を目的として，植物組織の変異過程を追跡し解析するための高い空間分解能と位置選択性を有したレーザーマーキング技術および植物に装着可能なセンサーを用いた植物の状態変化のリアルタイムセンシングの検討を行った。これまでの研究において，植物の変異過程の可視化解析のための微細マーキング法に関しては，355 nmパルスレーザー光により，植物組織表面のクチクラへ数マイクロメートルサイズの微小マーキングを行い，植物にダメージを与えることを極力抑えてながら，屈曲過程での各マーキング点の変位解析を行う手法を開発できた。また，植物の力学的な挙動の支配因子の一つである水の状態変化を知ることを目指して，アンテナ型センサーを用いたリアルタイムセンシング法を開発した。これらの手法を用いた植物の屈曲挙動の観察によって，植物が屈曲と伸長のバランスを制御しながら力学的な最適化構造へ向かっていく現象を明らかにすることができている。

今後の研究の推進方策

これまでの研究においては，植物の動的挙動を阻害しない変異過程の可視化解析のための微細マーキング法による観察や，力学的最適化過程における植物組織の水の状態のマイクロ波アンテナ型センサーによる誘電率の変化からのリアルタイムにセンシングによって，植物の力学的な構造最適化過程を，巨視的な視点から観察してきた。その結果として，植物は屈曲と伸長のバランスを制御しながら力学的な最安定化構造へ向かっていくことが示唆されたが，このような現象を，植物は細胞レベルの構造においてどのように制御しているのかを知る必要がある。植物の細胞レベルの微視的な構造の変化と屈曲挙動という巨視的な構造変化の両面からの検討を進めることによって，植物の力学的最適化過程の戦略を明らかにすることを目的とした研究を推進する

研究成果

• [雑誌論文] Formation of graphene hybrid structures by laser direct writing and sensor applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Akira Watanabe, Ashiqur Rahman, Jinguang Cai, Mohammod Aminuzzaman
  • 雑誌名: Proc. SPIE 11268, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XIV 巻: 1126817 ページ: 543768
  • DOI: 10.1117/12.2543768
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 植物の力学的最適化過程のリアルタイムセンシング法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺明，山田理恵
  • 雑誌名: 日本建築学会大会学術講演梗概集 巻: 2020 ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antenna sensors prepared by laser direct writing based on graphene hybrid materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, A., Rahman, A., Cai, J., Aminuzzaman，M.
  • 雑誌名: J. Photopolym. Sci. Technol. 巻: 33 ページ: -
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] General Strategy for Preparation of Porous Nickel Phosphide Nanosheets on Arbitrary Substrates toward Efficient Hydrogen Generation (2020)
  • 著者名/発表者名: Hu, C., Cai,J., Liu, S., Lv, C., Luo, J., Duan, M., Chen, C., Shi, Y., Song, J., Zhang, Z., Watanabe, A., Aoyagi, A., Ito, S.
  • 雑誌名: ACS Appl. Energy Mater. 巻: 3 ページ: 1036-1045
  • DOI: doi.org/10.1021/acsaem.9b02067
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Oxygen Vacancies-Rich Amorphous Porous NiFe(OH)x Derived from Ni(OH)x/Prussian Blue as Highly Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysts (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang,S., Xingbo Ge,X., Lv, C.,Hu, C.,Hongtai Guan, H., Wu,J., Wang, Z., Yang,X., Shi, Y., Song,J., Zhang, Z., Watanabe, Cai, J.
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: - ページ: -
  • DOI: DOI: 10.1039/d0nr00607f
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Laser Direct Writing of Microstructure on Graphene Oxide/Metal Oxide Hybrid Film (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, A. Aminuzzaman, M., Ca, J., Md. Akhtaruzzaman, M., Ogawa, S., Aoyagi, E., Ito, Sun
  • 雑誌名: J. Photopolym. Sci. Technol. 巻: 32 ページ: 223-226
  • DOI: doi.org/10.2494/photopolymer.32.223
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Laser Direct Writing of Heteroatom-Doped Porous Carbon for High-Performance Micro-Supercapacitors (2019)
  • 著者名/発表者名: Cai, J., LV, C., Hu, C., Luo, J., Liu,S., Song,J., Shi, Y., Chen, C., Zhang,Z., Sayaka Ogawa, S., Aoyagi, E., Watanabe, A.
  • 雑誌名: Energy Storage Materials 巻: 25 ページ: 404-415
  • DOI: doi.org/10.1016/j.ensm.2019.10.001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Value-adding to dragon fruit (Hylocereuspolyrhizus) peel biowaste: green synthesis of ZnO nanoparticles and their characterization. Inorganic and Nano-Metal Chemistry (2019)
  • 著者名/発表者名: Aminuzzaman, M., Ng, P. S., Goh,W.-S., Ogawa S., Watanabe A.
  • 雑誌名: Inorganic and Nano-Metal Chemistry 巻: 41 ページ: 401-411
  • DOI: doi.org/10.1080/24701556.2019.1661464
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Laser Direct writing of Conductive Carbon Microelectrodes and Device Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, A., Cai.,J.
  • 雑誌名: Proceedings of LAMP 2019 巻: #19-025 ページ: 1-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Facile Preparation of Holey Carbon Nanotubes Assisted by Ag Nanoparticle Catalysts for High-performance Micro-supercapacitor (2019)
  • 著者名/発表者名: Gan, L., Xu,C., Yang, J., Yunfeng Ma, Y., Cai, J., Watanabe, A.
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 48 ページ: 795-798
  • DOI: doi:10.1246/cl.190094
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recent Advances in Graphene-Based Humidity Sensors (2019)
  • 著者名/発表者名: Lv, C., Hu，C., Luo，J., Liu, S., Qiao, Y., Zhang, Z., Song,J., Shi, Y., Cai , J., Watanabe, A.
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 9 ページ: 1-42
  • DOI: doi.org/10.3390/nano9030422
• [学会発表] Formation of graphene hybrid structures by laser direct writing and sensor applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Akira Watanabe, Ashiqur Rahman, Jinguang Cai, Jinguang, Mohammod Aminuzzaman
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2020
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー直接描画法によるグラフェンハイブリッド構造 の形成とセンサー応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 明，Rahman Ashiqur , Cai Jinguang , Aminuzzaman Mohammod
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] アグリセンシング技術を目指したアンテナ型センサー (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 明，Rahman Ashiqur
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] アグリセンシングを目指したアンテナ型センサーデバイス (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 明，Rahman Ashiqur
  • 学会等名: 第69回高分子学会年次大会
• [学会発表] Laser direct writing of conductive carbon microelectrodes and device applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Watanabe, Jinguang Cai
  • 学会等名: The 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser Direct Writing of Microstructure on Graphene Oxide/Metal Oxide Hybrid Film (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Watanabe, Mohammod Aminuzzaman, Jinguang Cai , Md. Akhtaruzzaman, Sayaka Ogawa, Eiji Aoyagi, Shun Ito
  • 学会等名: The 36th International Conference of Photopolymer Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] 金属酸化物ナノ粒子および酸化グラフェンを元素ブロックとして用いたレーザー直接描画法によるデバイス形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 明, 蔡 金光, 小川 沙也加, 青柳 英二, 伊藤 俊
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] レーザー直接描画法で形成したグラフェンハイブリッド構造のセンサー応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 明, 蔡 金光, Mohammod Aminuzzam, 小川 沙也加, 青柳 英二, 伊藤 俊
  • 学会等名: 第38回無機高分子研究討論会