Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

非線形科学 / 非平衡系 / 自己駆動体 / 自己組織化 / パターン形成 / 非線形 / 自己駆動 / 非平衡 / リズム / パターン / 分岐 / 振動 / 膜・界面 / 時空間発展 / 振動現象

当該年度に実施した、非線形科学に立脚した自己駆動体の構築に関する研究成果は次のとおりである。
１．可逆的走化性の実験系の構築：これまでの無生物自己駆動体による走化性の研究報告のほとんどが、正または負の単指向走化性のみであった。ところが実際の生物では、採餌等走化性の目的を達したら、その場から立ち去ることができる可逆的走化性である。そこで本研究では、可逆的走化性を示す自己駆動体の構築を目的とした。具体的には、自己駆動体として6-メチルクマリン（6-MC）円板を使用し、塩基の化学刺激としてリン酸三ナトリウムを使用した。その結果、表面張力の高い化学刺激に対して表面張力の低い自己駆動体が正の走化性を示し、化学刺激上でトラップされる一方、塩基と6-MCとの化学反応が終わると、化学刺激上から脱出できる、可逆的走化性の構築に成功した。そして駆動力である表面張力測定、ｐH指示薬による時空間的ｐHの可視化、及び反応拡散方程式と運動方程式からなる数理モデルによる数値計算によって、可逆的走化性の機構を解明した。
２．酵素反応とカップリングした特徴的な運動様相を示す自己駆動体の構築：酵素反応系は、化学振動反応等、非線形性の高い化学反応と知られている。そこで本研究では、自己駆動体の自律性と非線形性を高めるため、酵素反応とカップリングした自己駆動体の構築を目的とする。具体的には、ウレアーゼの反応速度のｐH依存性（ベル型特性）を活用した。その結果、初期ｐHを弱酸性にすると、尿素発生によるｐH上昇が反応速度を高めるポジティブフィードバックが働き、振動運動を誘発することを明らかにした。その機構を明らかにするために、ｐH指示薬によるｐHと運動速度の同時測定を行った。
３．界面活性剤存在下における自己駆動体の深さ依存性：反応拡散系に基づき、ドデシル硫酸ナトリウム上で運動する樟脳円板と水層の深さ依存性について解明した。

非線形ダイナミクス / 確率過程 / リズム現象 / 同期現象 / 揺らぎ / 縮約理論 / ネットワーク / 非線形振動 / コヒーレンス / 同期 / 自己組織化 / 非線形

実世界には自律的なダイナミクスを示す様々な要素が存在する。特に、自律的なリズムを生成する非線形振動子は、物理、化学、生物、および各種の工学系に多くの例がある。周期外力を受けた振動子が外力に同期することや、相互作用する振動子間に相互同期が生じることはよく知られているが、近年、振動子に共通の確率的に揺らぐ外力を与えた場合にも、振動子間に同期やコヒーレンスが生じることが分かりつつある。本研究ではその生成メカニズムを数理的に解析した。特に、非線形振動子に対する位相縮約理論と呼ばれる手法を用いて、この現象が弱いノイズを受ける振動子において一般的に生じることや、そのための条件等について明らかにした。

表面・界面物性 / コロイド / 非平衡 / 非線形 / 自己組織化 / 自己集積 / ミセル / ゲル / 石鹸

本研究テーマは、自発的界面張力変動が生じる物質の特定を、本変動現象の解明と共に行うことである。本研究の大きな成果として、(1)飽和ヨウ化カリウム・ヨウ素ニトロベンゼン溶液/カチオン性界面活性剤水溶液系の、クロロベンゼン添加による自発界面変動現象が解明(2)飽和NaClおよびZnCl2ニトロベンゼン溶液/1mMトリメチルステアリルアンモニウムクロリド水溶液系、すなわちヨウ素を使わない系での自発変動の発見の2つがある。
本研究課題を通じてヨウ素系・非ヨウ素系双方の変動機構が解明できた結果、ニトロベンゼンやヨウ素を使用しない、無害な材料を利用して活発な自発界面変動現象を得られる可能性が生まれてきた。すなわち、1)水との界面張力が大きく、2)イオン性界面活性剤の対イオンが界面を移動しにくいような油相を選択すればよいことになる。今後は、そのような油相を系統的に調査するとともに、その結果得られた力学エネルギーを電気エネルギーに変換する系の構築に取り組みたいと考えている。

非平衡開放系 / レーザー / リズム / パターン形成 / メソスコピック系 / 自発運動 / 相分離ダイナミクス / 反応拡散系 / 分子機械 / レーザートラップ / 相分離 / 自己組織化 / 化学-機械エネルギー変換 / 非平衡 / 非線形 / 光ピンセット / 分岐現象 / 無容器反応系 / 遺伝子導入 / 光トラップ / ミクロ相分離 / 単一分子操作 / ミクロモータ / 非線形振動 / 光モータ / 微小液滴 / 長鎖DNA

非平衡開放系の物理を理解することは、宇宙から生物にいたるまで、さまざまなスケールの物理を考える際に重要な課題である。そこで、われわれはマイクロメートル〜ミリメートルのスケールの定常的な非平衡開放条件を集光レーザー場を用いて形成することを目的として研究を進めてきた。すなわち、集光レーザーによって物体をトラップしながら、光子としてのエネルギー注入による非平衡開放条件下で引き起こされる動的な非線形現象についての実験をデザインし、非平衡開放系に関する実験モデル系の確立、理論的基盤の構築を目指した。その結果、次に示すような重要な成果を得ることができた。
・定常的な集光レーザー場中における高分子・脂質チューブの周期的構造変化
・レーザーにより誘起されるマイクロメートルスケールの相分離現象
・レーザーエネルギー注入による液滴の振動・消滅リズム
・レーザー照射位置の制御による液滴の自発的運動の制御
また、レーザーによる非平衡系での現象と対比させて考えるため、化学エネルギーの勾配により駆動される自発運動についても研究を行い、次の成果をあげた。
・界面活性剤水溶液中における油滴のガラス基板上自発的運動
・水-アルコール系におけるアルコール液滴の自発的運動
・BZ反応液滴の自発的運動
これらは光エネルギー・化学エネルギーを注入源とする非平衡開放場であると捉えることにより、非線形微分方程式で記述可能であることを示した。このような定式化により、実験系の制御やデザインができるようになってきている。理論的考察を通じて、非平衡開放条件下、自発的にリズムやパターンの生成する現象についての、新奇なシナリオを構築することに成功した。

【研究分担者】
長山雅晴	北海道大学	電子科学研究所	教授	(Kakenデータベース)
北畑裕之	千葉大学	大学院理学研究院	教授	(Kakenデータベース)
伴野太祐	慶應義塾大学	理工学部(矢上)	講師	(Kakenデータベース)
末松信彦	明治大学	総合数理学部	専任准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
北畑裕之	京都大学	大学院・理学研究科	助手	(Kakenデータベース)
小穴英廣	京都大学	大学院・理学研究科	助手	(Kakenデータベース)