2019 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental investigation of single polymer chain mechanics via analysis of mechanical analysis of gels
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17H04891
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中島 祐 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (80574350)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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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
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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