2016 Fiscal Year Annual Research Report
内部応力で誘起された巨視的異方性を有する高強度・高機能ゲルの創製
| Project/Area Number |
15J01078
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
高橋 陸 北海道大学, 生命科学院, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
|
| Keywords | ハイドロゲル / 半剛直性高分子 / 巨視的異方性 / 膨潤 / 高分子液晶 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「内部応力で誘起された巨視的異方性を有する、高強度・高機能ゲルの創製」である。現在までに、半剛直性高分子電解質の配向構造をゲル内部で制御する方法を報告している。しかしながら、先行研究において提唱されている構造形成メカニズムは曖昧な部分も多く、さらなる理解のためには新しいアプローチが必要とされていた。そこで、先行研究の実験系（平板状電解質ゲルの自由膨潤時における内部応力誘起と構造形成）について、数理的な視点からアプローチを試みた。その結果、得られた有力な数理モデルは実験結果とよく一致し、「Coupled instabilities of surface crease and bulk bending during fast free swelling of hydrogel」というタイトルでSoft Matter誌に掲載された（表紙採用）。
加えて、上記目的にある高強度・高機能ゲルの創製に向けて、ゲル内部の半剛直性高分子を物性に寄与させるアプローチを行った。具体的には、(1)ゲル内における半剛直性高分子濃度の増加、(2)半剛直性高分子間の相互作用増加によるネットワーク形成、(3)多価金属イオンを用いた半剛直性高分子間の相互作用増加、といった手法を系統的に試みた。
その結果、特定の多価金属イオン（ZrやTiといったチタン族金属イオン）溶液中で、高濃度の半剛直性高分子を内包したゲルを膨潤させることで、極めて高強度・高靭性を示すハイドロゲルの合成に成功した。硬さ（強度）の指標であるヤング率はコントロールの水中で膨潤させたゲルと比べて、約40倍に増加し、丈夫さ（靭性）の指標であるWork of Extensionは約240倍に増加した。さらに、ゲル内部の半剛直性高分子の配向構造に応じて、力学物性を大きく制御することが可能であると分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は上記目的にある高強度・高機能ゲルの創製に向けて、(1)ゲル内における半剛直性高分子濃度の増加、(2)半剛直性高分子間の相互作用増加によるネットワーク形成、(3)多価金属イオンを用いた半剛直性高分子間の相互作用増加、といった手法を系統的に試みた。
その結果、特定の多価金属イオン（ZrやTiといったチタン族金属イオン）溶液中で、高濃度の半剛直性高分子を内包したゲルを膨潤させることで、極めて高強度・高靭性を示すハイドロゲルの合成に成功した。硬さ（強度）の指標であるヤング率はコントロールの水中で膨潤させたゲルと比べて、約40倍に増加し、丈夫さ（靭性）の指標であるWork of Extensionは約240倍に増加した。さらに、ゲル内部の半剛直性高分子の配向構造に応じて、力学物性を大きく制御することが可能であると分かった。
現在、高強度ゲルの創製とその物性評価についてより詳しい解析を行っており、来年度内に本成果をまとめ、国際誌に論文として投稿する予定である。本成果により、研究課題である「内部応力で誘起された巨視的異方性を有する、高強度、高機能ゲルの創製」をおおよそ達成することが可能であり、最終年度は応用を見据えたデモンストレーションを行っていきたい。
|
| Strategy for Future Research Activity |
上記【現在までの進捗状況】中で示した、半剛直性高分子によるゲルの強靭化アプローチについて、(1)半剛直性高分子がどのように物性に寄与しているのか、(2)半剛直性高分子の配向構造はどの程度物性に影響を与えるのか、についてを系統的に明らかにしていく。また、関連分野の研究者と議論を重ね、強靭化メカニズムの妥当性について検討を行う。最終的には本研究成果を今年度中にまとめ、国際誌に論文発表を行う。
|
