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。

近100年来，人们一直认为聚合物凝胶和橡胶的弹性很大程度上可以用基于热力学第二定律（熵增定律）的熵弹性来解释。然而，申请人最近使用具有四支链网络的聚合物凝胶（四凝胶）进行的研究表明，该理论对于聚合物凝胶来说是不正确的，并且存在“负能量弹性”。在这项研究中，我们的目的是阐明负能量弹性是否普遍存在于各种聚合物凝胶中以及它是通过什么机制表达的。 2021年，我们重新审视了过去关于聚合物凝胶弹性的研究，假设负能量弹性的存在。结果表明，考虑负能量弹性可以解决以往研究中存在的矛盾。该成果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。具体来说，申请人之前的研究使用的是四凝胶，但他们使用具有三分支网络的新型聚合物凝胶（trigel）进行了实验。通过测量具有不同网络结构的三凝胶剪切模量的温度依赖性，我们分离了内能和熵对剪切模量的贡献。结果表明，三凝胶的内能贡献均为负值，与四凝胶一样具有负能量弹性。此外，还发现这种负能量弹性与网络结构之间的关系与四凝胶相似。该成果在学术会议上发表，并获得第33届聚合物凝胶研究会议最佳演讲奖。上述结果预计将极大地有助于对聚合物凝胶弹性的本质理解。

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