ベローソフ・ジャボチンスキー反応により自律振動する高分子ゲルの分子設計と構築

通过Belosov-Zhabotinsky反应自主振荡的聚合物凝胶的分子设计和构建

基本信息

批准号：
10750630
负责人：
吉田亮
金额：
$ 1.41万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至 1999
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、心臓の拍動や脳波のように、一定周期で自律振動する生理機能を模倣した高分子材料(高分子ゲル)を開発し、運動と情報伝達の機能を持った新規な機能性材料の分子設計を可能にすることを目的とした。そのために、ゲル相内部で自発的な酸化還元振動を生じる化学反応(ベローソフ・ジャボチンスキー(BZ)反応)を起こし、その化学エネルギーが機械エネルギーに転換されて膨潤・収縮の振動を生起するプロセスを分子回路として内包するゲルを設計・構築した。まず、BZ反応の触媒として働くルテニウムビピリジン錯体をモノマー化し、N-イソプロピルアクリルアミドなどのアルキルアクリルアミド系ポリマーに共重合したゲルを作製した。触媒サイトの酸化還元変化によるゲルの膨潤・収縮変化を顕微鏡観察により検討した結果、酸化状態ではゲルの膨潤度および相転移温度が上昇することが確認され、一定温度下では酸化還元による膨潤収縮変化が生じることが明らかにされた。次に、作成したゲルをBZ反応の基質混合溶液に浸し、ゲル内部でBZ反応を生起させた。BZ反応により生じるルテニウム錯体の周期的な酸化還元振動、およびそれに伴うゲルの膨潤・収縮振動を画像解析システムを用いて測定した。その結果、化学振動に伴ってゲルが自励的な膨潤収縮振動を生じた。BZ反応の振動周期は、基質の初期濃度により変化する。そこで反応基質の初期濃度を変化させて、ゲルの膨潤収縮振幅と周期の相関を検討した。その結果、反応周期が長いほど、また酸化還元変化量が大きいほど膨潤収縮振幅が大きくなった。すなわち、外部基質濃度や触媒導入量を変えることでゲルの体積振動の振幅が制御可能であることがわかった。

在这项研究中，我们将开发一种模仿心跳和脑电波等定期自主振荡的生理功能的聚合物材料（聚合物凝胶），并创造出具有运动和信息传输功能的新颖功能。使材料的分子设计成为可能。为此，我们设计并构建了在凝胶相内部产生自发氧化还原振荡的化学反应（Berosov-Zhabotinsky（BZ）反应），并将这种化学能转化为机械能，这是一个引起膨胀和收缩振荡的过程。将其封装为分子电路的凝胶。首先，将作为 BZ 反应催化剂的钌联吡啶络合物单体化，并与烷基丙烯酰胺聚合物（如 N-异丙基丙烯酰胺）共聚，形成凝胶。通过显微镜观察由于催化位点的氧化还原变化而引起的凝胶溶胀和收缩变化，证实氧化状态下凝胶的溶胀度和相变温度增加，并且在恒温下，溶胀和收缩变化。据透露，由于氧化还原变化而发生收缩变化。接下来，将制作的凝胶浸渍在BZ反应底物混合溶液中，在凝胶内部发生BZ反应。使用图像分析系统测量由 BZ 反应产生的钌配合物的周期性氧化还原振荡以及伴随的凝胶膨胀/收缩振荡。结果，凝胶由于化学振动而产生自激溶胀-收缩振动。 BZ 反应的振荡周期根据底物的初始浓度而变化。因此，我们改变反应底物的初始浓度，并检查凝胶膨胀/收缩幅度和周期之间的相关性。因此，反应时间越长，氧化还原变化量越大，膨胀和收缩幅度越大。换句话说，发现凝胶体积振荡的幅度可以通过改变外部底物浓度和引入的催化剂的量来控制。