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東大、乾燥ワカメのようにゲルが吸水して膨らむ速度の法則を解明

発表日:2021年11月30日

乾燥ワカメのようにゲルが吸水して膨らむ速度の法則を解明:アインシュタインの関係式と負のエネルギー弾性から発想

1.発表者:

藤藪 岳志(東京大学 大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻 博士課程3年)

作道 直幸(東京大学 大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻 特任講師)

酒井 崇匡(東京大学 大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻 教授)

工藤 稜太(東京大学 大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻 修士課程2年)

吉川 祐紀(東京大学 大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻 博士課程3年)

2.発表のポイント:

◆乾燥ワカメや紙おむつの吸水剤のように「水に浸したゲルが吸水して膨らむ速度」の温度による変化を決める物理法則を世界で初めて明らかにしました。

◆ゲルの膨らむ速度の温度変化は、最近発見された「負のエネルギー弾性」とブラウン運動におけるアインシュタインの関係式を組み合わせた新しい法則で決まることがわかりました。

◆ゲルの膨らむ速度の制御は、ゲルをバイオセンサーやドラッグデリバリーシステムにおける薬物送達キャリアとして用いる際に重要であり、これらの材料設計に役立ちます。

3.発表概要:

ゲルは、ゼリーなどの食品や、ソフトコンタクトレンズなどの医用材料に活用される、ウェットでやわらかい物質です。乾燥ワカメや紙おむつの吸水剤のように、水に浸したゲルは周囲の水を吸収して膨らみますが、膨らむ速度の温度変化を決める物理法則は未解明でした。

今回、東京大学大学院工学系研究科の藤藪岳志大学院生、作道直幸特任講師、酒井崇匡教授らの研究グループは、構造が明確なゲルを用いて世界最高精度の測定を行い、ゲルの膨らむ速度の温度変化について、新しい法則を発見しました。この新しい法則は、アインシュタインの提唱したブラウン運動(水中の微粒子の不規則な熱運動)の理論と、最近の発見であるゲルのやわらかさを決める「負のエネルギー弾性」から着想を得て、両者のアイデアを組み合わせることで、明らかになりました。

ゲルは、生体軟組織との類似性が高いため、生体と接触して使用される医用材料としてさらなる応用が期待されています。本研究は、バイオセンサーやドラッグデリバリーシステムにおける薬物送達キャリアなど、ゲルの形態変化を伴う製品の開発に役立つと考えられます。

本研究成果は、米国物理学会発行の学術雑誌 Physical Review Lettersのオンライン版に米国東部時間11月30日に掲載されます。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/622736/01_202111301600.pdf

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