ゴム状高分子ゲルにおける負のエネルギー弾性の系統的理解

系统理解橡胶聚合物凝胶的负能量弹性

• 批准号: 21J13478
• 负责人: 吉川 祐紀
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J13478/
• 关键词: 高分子ゲル; 線形弾性; エネルギー弾性; エントロピー弾性; 熱力学

高分子ゲルやゴムの弾性は、熱力学第二法則 (エントロピー増大の法則) に基づくエントロピー弾性でおおむね説明できるということが、100 年近く信じられてきた。しかし、申請者らの4分岐網目を持つ高分子ゲル (テトラゲル) を用いた最近の研究により、その定説が高分子ゲルについては間違いであり、「負のエネルギー弾性」が存在することを発見した。本研究では、負のエネルギー弾性が様々な高分子ゲルにおいて普遍的に存在するのか、また、どのようなメカニズムによって発現するのか、について明らかにすることを目指す。2021年度は、負のエネルギー弾性の存在を前提として、過去の高分子ゲル弾性の研究の再検証を行った。その結果、先行研究間に存在していた矛盾が、負のエネルギー弾性を考慮することにより解消されることを明らかにした。本成果は国際科学雑誌に掲載された。また、負のエネルギー弾性の普遍性についても調査を行った。具体的には、申請者らの先行研究ではテトラゲルを用いたが、新たに3分岐網目を持つ高分子ゲル (トリゲル) を用いて実験を行った。様々な網目構造を持つトリゲルのせん断弾性率の温度依存性を測定することにより、せん断弾性率に対する内部エネルギーとエントロピーの寄与を分離した。その結果、トリゲルにおける内部エネルギーの寄与は全て負であり、テトラゲルと同様に負のエネルギー弾性を持つことが明らかになった。さらに、この負のエネルギー弾性と網目構造の関係は、テトラゲルと同様であることも明らかにした。本成果については、学会発表を行い、第33回高分子ゲル研究討論会では最優秀演題賞を受賞した。以上の成果は、高分子ゲル弾性の本質的理解に大きく貢献することが期待される。

人们认为，近100年来，基于热力学的第二定律（增加熵的定律），可以通过熵弹性在很大程度上解释聚合物凝胶和橡胶的弹性。然而，最近使用申请人的四分支聚合物凝胶（Tetragel）的研究表明，在聚合物凝胶方面，已建立的理论是错误的，并且存在“负能量弹性”。这项研究旨在阐明是否在各种聚合物凝胶中普遍存在负能量弹性，以及通过表达的机制存在。在2021财政年度，假设存在负能量弹性，我们对聚合物凝胶弹性进行了过去的研究。结果，可以通过考虑负能量弹性来解决以前研究之间存在的矛盾。这一发现已发表在国际科学杂志上。我们还研究了负能量弹性的普遍性。具体而言，在我们先前的研究中使用了四芯，但是使用具有三个分支网络的新聚合物凝胶（Trigel）进行了实验。内部能量和熵对剪切模量的贡献是通过测量具有各种网络结构的Trigel的剪切模量的温度依赖性来分开的。结果，揭示了触发器中的所有内部能量贡献均为负，并且它们具有负能量弹性，就像四边形一样。此外，还揭示了这种负能量弹性和网络结构之间的关系类似于Tetragel。该结果是在会议上提出的，并在第33个聚合物凝胶研究讨论中获得了最佳演示奖。预计上述结果将对聚合物凝胶弹性的基本理解产生重大贡献。

项目成果

負のエネルギー弾性の観点から見た高分子ゲルの線形弾性

从负能量弹性角度看聚合物凝胶的线弹性

• 发表时间: 2022
• 作者: Nakagawa Ryo;吉川祐紀
• 通讯作者: 吉川祐紀

Linear elasticity of polymer gels in terms of negative energy elasticity

• DOI: 10.1038/s41428-021-00529-4
• 发表时间: 2021-03
• 期刊: Polymer Journal
• 影响因子: 2.8
• 作者: N. Sakumichi;Yuki Yoshikawa;T. Sakai

Temperature Dependence of Polymer Network Diffusion

• DOI: 10.1103/physrevlett.127.237801
• 发表时间: 2021-11-30
• 期刊: PHYSICAL REVIEW LETTERS
• 影响因子: 8.6
• 作者: Fujiyabu, Takeshi;Sakai, Takamasa;Sakumichi, Naoyuki
• 通讯作者: Sakumichi, Naoyuki

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

阐明凝胶像干海藻一样吸水膨胀的速度规律