2017 Fiscal Year Research-status Report
高強度・高延伸性を有する高性能ゲルの分子機構の解明
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16K05914
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
古賀 毅 京都大学, 工学研究科, 教授 (80303866)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ゲル / シミュレーション / テトラＰＥＧゲル / ナノコンポジットゲル / ダブルネットワークゲル / 理論 / 高強度 / 高延伸性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，申請者が会合性高分子の形成する物理架橋ゲルの粘弾性的性質を研究するために発展させてきた「組み替えネットワーク理論」と分子動力学シミュレーション(Molecular Dynamics for Associating Polymers: MDAP)法を，最近急速に研究・開発が進んでいる高強度・高延伸性を有する高性能ゲル（環動ゲル，テトラPEGゲル，ダブルネットワークゲル，ナノコンポジットゲルなど）に適用し，これらの系で特徴的な力学物性を生み出している分子論的メカニズムを解明することを目的としており，これまでの研究で以下の成果を得た．
平成２９年度は，４分岐のプレポリマーの末端間を反応させることで形成されるテトラPEGゲルの構造と力学物性に関する研究を行った．分子シミュレーションにより一軸伸長時の応力を計算し，ラジカル重合で作成したゲル，プレポリマーを末端結合で作成したゲルなどと比較し，テトラPEGゲルモデルの弾性率が最も大きいことが分かった．これがネットワーク構造の違いに起因すると考え，ネットワーク構造中の弾性的に有効な部分鎖の数を計算したところ，テトラPEGゲルが他の方法で作成したゲルに比べて弾性有効鎖密度が高く，より効果的に架橋鎖が形成されていることが分かった．
更に，高濃度で作成したテトラPEGゲルと末端結合ゲルの弾性率が，アフィンネットワーク理論から予測される値よりも大きくなることを見出した．この原因が部分鎖同士のトポロジカルな拘束にあると考え，これを架橋点間を部分鎖間のすり抜けを禁止した状態で最短の部分鎖で結び，部分鎖間の接触点数を評価するという方法で計算した．その結果，テトラPEGゲル及び末端結合ゲルでトポロジカルの拘束による寄与が弾性率に大きな影響を与えていることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度は，PEG(ポリエチレングリコール)鎖にシクロデキストリン(CD)が包接したポリロタキサンを架橋して形成した環動ゲルの力学物性と溶媒透過性の分子機構に関する研究を行い，平成２９年度は，４分岐のプレポリマーの末端間を反応させることで形成されるテトラPEGゲルの構造と力学物性に関する研究を行った．この２つの研究テーマに関しては，高強度・高延伸性に関する分子機構の解明に成功しており，これらの成果は現在投稿準備中である．また，クレイ分散水溶液中でポリイソプロピルアクリルアミドを重合させることによって形成されるナノコンポジット(NC)ゲルの力学物性に関しても，分子シミュレーションによる予備的検討が順調に進んでおり，研究計画全体としておおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度は，クレイ分散水溶液中でポリイソプロピルアクリルアミドを重合させることによって形成されたナノコンポジットゲル及び剛直な高分子と柔軟な高分子の相互貫入型ネットワークであるダブルネットワークゲルの力学物性に関する研究を行う．
ナノコンポジットゲルに関しては，既に予備的検討が進んでいる．今年度は，モノマーの重合によって形成される高分子とクレイ粒子間の水素結合によるゲルの形成過程とその構造，一軸伸長による構造変化と力学物性の関係を詳細に検討し，ナノコンポジットゲルの高強度・高延伸性の分子論的起源を解明する．
ダブルネットワークゲルに関しては，まず剛直な高分子と柔軟な高分子の相互貫入型ネットワークのモデルを作成し，一軸変形時にどのように剛直な鎖のネットワークの崩壊が起こり，犠牲結合として機能するのかを分子シミュレーションにより解明する．
本研究はこれまでの実績と十分な予備的検討の上に計画されているので，ネットワークを形成し，力学測定を行い，その分子機構を解析する上では，困難はないと考えられる．しかし，犠牲結合のように高分子鎖間や官能基間での相互作用が重要となる場合には，その相互作用の精密化が必要にある可能性がある．相互作用の詳細が重要だと考えられる場合には，対象となる分子間の状態をMaterial Studio(Biovia社)を用いた全原子シミュレーションにより詳しく解析し，モデルの精密化を行う．
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