Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

機能性高分子 / ブロックコポリマー / 自励振動 / 振動反応 / 高分子ゲル / 刺激応答材料 / 生体材料 / 高分子材料 / ゲル

本研究課題では、生理条件下で駆動する自励振動高分子材料の創出を目的とする。その第一段階として、ブロックコポリマー（BCP）を用いた検討を行った。近年では自励振動高分子及び親水性高分子からなるAB型自励振動BCPの設計により、高分子ミセルの自律的な形成・崩壊振動が報告されている。これまで分散安定性のみを担っていた親水性セグメントにBrO3-ソースとしての機能を新たに付与したAB型自励振動BCPを設計・合成することで、外部からの臭素酸塩添加なしの条件下における自律的かつ周期的なミセルの形成・崩壊振動が実現された。さらに濃厚BCP溶液系においてはゾルゲル振動が実現された。

生体が示す高度な自律性に動機付けされた合成材料として、我々は自励振動高分子材料と呼ばれるコンセプトを世界に先駆けて提唱し、その研究を先導してきた。自励振動材料の応用研究へ向けた道を拓くため、本研究課題では、生理条件下で駆動する自励振動高分子材料の創出を目的とする。本研究課題が達成されれば、生体内で駆動する自律的なマイクロマシンや、周期的に薬物を放出する自律的ドラックデリバリーシステムなど、刺激応答材料を凌駕する革新的な自律性を持つ生体材料創製への大きな足掛かりとなると考えられる。

ゲル / 自律駆動ゲル / ゲルポンプ / ソフトアクチュエータ / 自律駆動 / 振動反応 / ソフトロボット / 自律駆動システム / ゲルアクチュエータ / ケミカルメカニクス / ケミカルロボット

申請者はこれまで振動化学反応で知られるBelousov-Zhabotinsly反応と刺激応答性高分子ゲルがカップルした系について研究を推進してきた．この系は，一定の条件下においてゲルが膨潤と収縮を自律的に生成する．本研究目的はではこのゲルの応答性を向上させること，知能化することである．申請者はゲルに一定の張力を加えることで，ゲルから大きな仕事を取り出すことができること，適当な外力をゲルに加えることでゲルのダイナミクスを制御できることが分かった．

このゲルは，物質濃度が振動するBZ反応の化学エネルギーのみを利用し，力学エネルギーに直接変換できる．ゲルを基質溶液に浸漬するとBZ反応が開始し，ゲルの体積振動が誘起される．本研究ではこのゲルの知能化とアクチュエータ化を目的とする．我々が提案してきたシステムの特徴は，従来の金属やシリコンなどでできた電子回路や半導体を有する計算機や機械リンク系のロボットとは大きく異なり，物理化学的な反応や現象によって情報処理系が構築できる．したがって，電気を一切必要としない新原理に基づくデバイスとなり新しい機械の創造へ繋がる．

高分子ゲル / ナノシート / 振動反応 / アクチュエータ / 高分子材料 / ゲル / 酸化チタン / 化学振動反応 / 自励振動

我々は、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応の触媒であるRu錯体と、代表的な感温性ポリマーであるpoly(N-isopropylacrylamide) (NIPAAm)とを共重合することにより、BZ反応の周期的酸化還元反応に応答して力学的振動を発現する自励振動高分子ヒドロゲルを開発してきた。このヒドロゲルは、Ru触媒の価数に応答して膨潤・収縮する結果、あたかも生き物のような動きを自発的に繰り返す。一方、酸化チタンナノシートは珍しい磁性を保つため、外部磁場を印可することにより全てのナノシートは一軸配向する。モノマーとナノシートの混合溶液からゲルを作成時に外部磁場を印可することにより、配向したナノシートをヒドロゲルの中に固定する事が可能である。そこで本研究では、自励振動ゲルと磁場配向ナノシートとの複合化により、前例のない「速く、大きく、異方的な」ゲルの自励振動変形を実現することを目指した。このヒドロゲルを用いてBZ反応を起こした結果、ゲルは異方的かつ大きい変位で変形振動を繰り返した。詳細なメカニズムは検討中であるが、酸化チタンナノシートのドメイン間に存在する高分子鎖の水和・脱水和、高分子鎖に結合しているRu錯体同士の静電反発がBZ反応の振動に同調して起こるために、ナノシート平面に対し垂直方向に伸張・収縮を繰り返すゲルの形状変化が生じると考えられる。今回の研究では、異方配向したイオン性ナノシートを利用し、異方的変形を示す自励振動ゲルを開発した。その動きは、従来の自励振動ゲルの等方的膨潤収縮挙動と異なる。本研究により、変形の自律性と異方性を同時に制御することが可能となり、新規なソフトアクチュエータの開発が期待される。

【研究協力者】
山西陽子		教授