Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

コロイド / ナノ粒子 / 高分子 / 自己組織化 / 分子動力学 / 結晶 / 相転移 / ソフトマテリアル / ゆらぎ / ゲル

フォトニック結晶の分野では、自発的に形成される様々な結晶構造を実現するためのフレームを開発することが中心的な課題の1つとなっている。特に簡単な方法として、コロイド結晶を用いる方法があるが、コロイド結晶のバリエーションは限られており、その構造は壊れやすい。そこで、本研究では強靭な結晶構造を形成する可能性を持つPGNPに着目する。具体的には、本研究では高分子グラフトナノ粒子（PGNP）の多形構造を予測し、フォトニック結晶としての可能性を開くための強力な理論的枠組みを提供することである。このテーマは、これまでにも多くの実験的・理論的研究が行われてきた。本年度は、PGNPの結晶多形について、主に粗視化分子動力学シミュレーションを用いて検証した。その結果、以下のような結果を得ることができた。（1）グラフトポリマーの鎖長やグラフト密度によって分子間相互作用が複雑に変化し、調整できることを明らかにした。特に、低体積分率では、PGNPは様々な超構造に自己組織化することが可能であった。（2）PGNPが高体積分率でバルク状態に相当する様々な結晶構造を示すことを明らかにし、フォトニック結晶として理想的な構造の一つであるダイヤモンド構造への到達の方向性を示した。（3）今回の結果は、粗視化分子動力学シミュレーションでPGNPsの結晶相転移を直接観察した初めての事例となった。今後のPGNPsの結晶多形研究にとって重要な方法論になると考えられる。

高分子 / ゲル / 生体模倣 / 自律機能材料 / 自励振動

種々の機能や物性を持つ高分子ゲルの研究が盛んに行われている中で、自律機能を持つ新しいソフトマテリアルとして、心筋の拍動のように一定条件下で自発的に周期的リズム運動を行う高分子ゲル（自励振動ゲル）を開発した。分子設計による自己集合の制御という観点だけでなく、時間構造を含み「材料の中に散逸構造を作り出すシステムデザインによりユニークな機能を創出する4D材料設計概念」を提唱し、自律機能材料としてその基盤研究を推進している。本研究では、自励振動ゲルの更なるバイオミメティック材料への展開について研究を行っている。

高分子ゲル / 機能性材料 / 自励振動 / 自己組織化 / 生体模倣 / ソフトマテリアル / 非平衡ダイナミックス / 自律性 / 高分子 / ゲル / 生体材料 / 自律機能 / 生体機能材料

生体の種々の自己組織化現象の化学モデルにもなっている振動反応（BZ反応）をポリマーネットワークの周期的体積変化や力学物性変化に変換することにより、心筋のように外部刺激のon-offなしに自ら周期的な膨潤収縮振動を起こす自励振動ゲルを開発した。高分子鎖の伸縮振動、ミセルやベシクルの凝集崩壊振動やそれに伴うゾルゲル振動、バルクゲルの体積振動や蠕動運動など、様々な階層スケールでの自励振動現象を発現することに成功した。人工繊毛、人工アメーバ、人工細胞、人工心筋、人工輸送管、自律駆動ソフトアクチュエータ（ソフトロボット）など、自律的な機能を発現する革新的なバイオミメティック材料への展開が期待される。

自励振動ゲルは、ゲル研究分野において唯一、"外部刺激のon-offなしに自ら膨潤収縮振動を起こす”独創的なゲルである。学術的にも、生体の自己組織化現象の化学モデルにもなっているBZ反応を、ポリマーネットワークの周期的体積変化（力学変化）に変換し、機能性材料設計に応用した世界でも最初の研究でもある。ゲルの機能性材料としての新しい可能性を提唱し、散逸構造を利用した自己組織化４次元マテリアルとしての新しい学理を築いた研究として高分子科学、材料科学、非平衡科学等の分野で先導的な役割を果たした。

ゲル / ソフトアクチュエータ / ゲルアクチュエータ / ソフトロボティクス / ケミカルロボティクス / アクチュエータ / 高分子 / マイクロポンプ / 自律駆動

化学エネルギーだけで駆動する、化学ロボットに関する基礎研究から応用研究を実施した。化学エネルギーのみで自律的に拍動や蠕動運動を生成するゲルに、マイクロ加工やマイクロ・ナノ加工されたPDMSと組み合わせることで、自律駆動するマイクロポンプの創製に成功した。また、自律駆動ゲルのアセンブリに方法としてシリカナノ微粒子を用いた接着制御方法を見出した。

石油工学 / 高分子 / ゲル / レオロジー / 多孔質媒体

ゲル生成剤(ポリアクリルアミド、アルミン酸ナトリウム、水酸化ナトリウムの混合水溶液)とCO_2飽和水を多孔質媒体内に交互圧入することによりポリマーを原位置で架橋処理する新手法を提唱して、この手法を不均質な油層からの油採収に適用する場合の交互圧入手順を設計した。
ビーカー内に仕込んだゲル生成剤にCO_2ガスを吹き込む実験を行い、ゲル生成剤のpH低下に伴うゲル生成特性を把握し、交互圧入で用いるゲル生成剤の適切な濃度を選択した。1次元の多孔質媒体コアを用いた実験を行い、提唱した手法によりコア内にゲルが生成することを確かめた。1次元コアおよび浸透率の異なる1次元コアを並列に設置したモデルを用いた油回収実験では、油回収に対して本手法が有効であることを確かめた。しかし、2次元の多孔質媒体実験モデルを製作してゲル生成剤とCO_2飽和水の交互圧入時のゲル生成挙動を調べた結果では、圧入初期の混合により多孔質媒体内にゲルが生成してもその後の粘性クロスフローの影響が強い場合には、目的とする層のみをゲルにより閉塞することは難しいことがわかった。異なる浸透率の層からなる油層にポリマー架橋処理法を適用する場合には、浸透率比を考慮した圧入方法を選定する必要がある。
計算的研究では、ゲル生成剤とCO_2飽和水の交互圧入によるゲルの生成を伴う多孔質媒体内流動を記述する数値モデルを構築した。数値モデルによる計算結果を実験結果と比較検討した結果、数値モデルがゲルの反応速度定数をマッチングパラメータとして実験を再現することを確認した。
本研究で開発したポリマー架橋処理法は、坑井から圧入するゲル生成剤とCO_2飽和水の混合による中和反応を利用してゲルを生成させるという簡単な原理に基づくため、ゲル生成に及ぼす層間クロスフローの影響に関する応用研究を継続して行うことにより、実油田への適用が可能である。

【研究分担者】
長縄成実	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)