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東大、引き算の構造設計で理論限界近くまで伸びるゲルの開発に成功

発表日:2022年04月07日

伸びすぎるゲル:引き算の構造設計で理論限界近くまで伸びるゲルの開発に成功!

1.発表者:

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)

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)

眞弓 皓一(東京大学 物性研究所附属中性子科学研究施設 准教授)

2.発表のポイント:

◆ ゲルを構成する高分子の網目は通常4方向に枝分かれする4分岐構造ですが、分岐数を減らす「引き算の構造設計」により3分岐構造のゲルを作製すると、30倍以上伸ばしても破断しない常識外れの強靱性を示すことを発見しました。

◆ ゲルが伸びすぎて何倍伸びているのかの正確な測定が困難であったため、あえて伸びないゲルを作製したところ、理論限界の90%まで破断せずに伸びていることがわかりました。

◆ 「分岐構造の簡素化による高分子材料の強靱化」は、人工腱・靭帯用のゲル材料の開発や、材料寿命の延伸や添加剤の削減など環境負荷の低減に役立つ可能性があります。

3.発表概要:

ゲル(注1)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用いられている、ウエットで柔らかい材料です。また、ゲルは、長いひも状の高分子鎖(注2)の間に橋を架ける架橋反応で作製される三次元の網目状高分子が水を保持した物質です。2本の高分子鎖を架橋すると、4方向に枝分かれした分岐点ができます(図1)。そのため、高分子材料の網目構造は4分岐が一般的であり、他の分岐数の検討例は多くはありませんでした。

今回、東京大学大学院工学系研究科の酒井崇匡教授、藤藪岳志大学院生らの研究グループは、一般的な4分岐構造を3分岐構造に簡素化した「3分岐ゲル」を開発したところ、最大30倍以上伸ばしても破断しない常識外れの強靭性を持つことを発見しました(図2)。しかし、3分岐ゲルは伸びすぎて、何倍伸びているのかの正確な測定が困難でした。そこで、研究グループは、あえて伸びないゲルを作製して正確な測定を行い、通常の4分岐ゲルは理論限界の30%で破断するのに対して、3分岐ゲルは理論限界近くまで伸びることを明らかにしました(図3)。それだけでなく、3分岐ゲルは、何度も繰り返し負荷を加えても常に一定の強靭性を示すロバスト強靭性(注3)を示すという顕著な特徴があることもわかりました。

3分岐ゲルの常識外れの強靭性のメカニズムを探るため、研究グループは大型放射光施設(SPring-8)の世界最高性能の放射光を用いたその場観察を行い(図4)、「伸張誘起結晶化」(注4)に由来することも明らかにしました。ゲルの伸張誘起結晶化は、特殊な構造を持つゲル(環動ゲル)で2021年に初めて観察された新しい強靱化メカニズムです。今回、網目構造の簡素化という簡便な方法で伸張誘起結晶化による強靱化が可能であることが明らかとなったため、今後の社会実装が容易になると期待されます。例えば、強度不足によりこれまで不可能であった、繰り返し衝撃が加わる過酷な環境で使用される人工腱・靭帯用のゲル材料の開発につながる可能性があります。また、高分子材料の材料寿命の延伸や添加剤の削減など、環境負荷の低減も期待されます。

本研究成果は、2022年4月6日(米国東部夏時間)に米国科学振興会発行の学術雑誌Science Advancesのオンライン版に掲載されます。

※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/629854/01_202204051531.pdf

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