自励発振ゲルを用いた化学ダイオードの作成

使用自振荡凝胶创建化学二极管

• 批准号: 15655067
• 负责人: 吉田 亮
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15655067/
• 关键词: 高分子ゲル; N-イソプロピルアクリルアミド; 刺激応答性高分子; 自励振動; ベローソフ・ジャボチンスキー反応; 振動反応; 非線形科学; インテリジェント材料; 非線形科化学; 非線形化学

本研究では、心臓の拍動のように一定条件下で自発的な周期的リズム運動を行う新しい「自励振動ゲル」を開発した。生体の代謝反応(TCA回路)の化学モデルにもなっている、循環する反応回路を持つベローソフ・ジャボチンスキー反応(BZ反応)をゲル内で引き起こし、その化学エネルギーを力学エネルギーに転換する分子設計を行うことによりゲルの周期的な膨潤収縮振動を生み出すことに成功した。本研究では、とくに情報伝達素子への応用という立場から、ゲル内に生じる化学反応波の伝播の解析とそれを利用した材料システム構築に関する基礎的検討を行った。ゲルが化学反応波の波長以上のサイズになると、反応と拡散のカップリングによって化学反応波が生まれる。酸化状態のときゲルは膨潤するので、波の伝播と共に局所的な膨潤領域が一定速度でゲル中を伝播することになる。すなわちゲル組織の中で蠕動運動のような膨潤・収縮振動が生じる。近年、コロイド結晶を鋳型にして作成した多孔質ゲルが膨潤度に応じた構造色を発現する性質を名大・竹岡らが明らかにしているが、この合成手法を自励振動ゲルに適用し、蠕動運動の可視化に成功した。またこのようなゲルの自律的運動を応用したデバイスとして、表面に微細な突起構造を有するゲルアレイ(人工繊毛)が作成された。さらに界面活性剤を用いた乳化重合法により、100nmオーダーサイズのナノゲル微粒子を作成し、ナノオーダーでの膨潤収縮振動を起こすことに成功した。動的光散乱装置を用いて粒径変化の振動を測定し、ゲル微粒子と従来のバルクゲルを比較した。これら結果より、マイクロ・ナノシステムの環境下において自励振動ゲルの膨潤挙動がどのように影響を受けるかを検討し、ゲル微粒子の最適な適用条件を探った。またこれらのゲル微粒子を基板上に配列させ、化学反応波に伴う膨潤収縮変化を起こすことにより表面に添加した物質を輸送する機能性表面(コンベア型搬送システム)の設計を行った。

在这项研究中，我们开发了一种新的“自激发振荡凝胶”，该凝胶在某些条件（例如心跳）下进行自发的环状节奏运动。通过启动具有循环反应电路的Bellosov-Jabocinsky反应（BZ反应），该反应也是代谢反应（TCA回路）的化学模型，在凝胶中以及通过进行分子设计，它将化学能转化为机械能，它成功地产生了凝胶的周期性膨胀和触发振动。在这项研究中，我们对凝胶中发生的化学反应波的传播以及使用它们的材料系统的构造进行了基础研究，尤其是从应用到信息传输设备的角度来看。当凝胶大于化学反应波的波长时，反应和扩散耦合会产生化学反应波。凝胶在氧化状态下膨胀，因此随着波的传播，局部肿胀区域以恒定速度通过凝胶传播。换句话说，凝胶组织内发生肿胀和收缩振动。近年来，名古屋大学和Takeoka等。已经揭示了使用胶体晶体作为模板制成的多孔凝胶的特性，该模板根据肿胀程度产生结构颜色，但是这种合成技术被应用于自激发的振动凝胶以可视化蠕动。此外，作为一种应用凝胶自主运动的装置，创建了在其表面上具有精细突出结构的凝胶阵列（人造纤毛）。此外，通过使用表面活性剂乳液聚合，制备了纳米凝胶细胞的细颗粒，并成功产生纳米顺序肿胀和收缩振动。使用动态光散射装置测量了粒度变化的振动，并将凝胶颗粒与常规散装凝胶进行比较。基于这些结果，我们研究了自激振动凝胶的肿胀行为如何在微纳米系统的环境中影响，并研究了凝胶微粒的最佳应用条件。此外，将这些凝胶颗粒排列在基板上，并设计了功能表面（输送机型输送系统），以通过化学反应波引起的肿胀和收缩变化来将添加到表面的物质运输到表面上。

项目成果

吉田 亮: "化学振動反応を利用した自励振動ゲルの設計"Electrochemistry(電気化学および工業物理化学). 71(5). 337-341 (2003)

Ryo Yoshida：“利用化学振动反应设计自振荡凝胶”电化学（电化学和工业物理化学）71（5）337-341（2003）。

Glucose-responsive polymer gel bearing phenylborate derivative as a glucose-sensing moiety operating at the physiological pH

• DOI: 10.1021/bm0345413
• 发表时间: 2004-05-01
• 期刊: BIOMACROMOLECULES
• 影响因子: 6.2
• 作者: Matsumoto, A;Yoshida, R;Kataoka, K
• 通讯作者: Kataoka, K

Kinetics in cyclic hydrogel systems

循环水凝胶系统的动力学

• 发表时间: 2004
• 期刊: Reflexive Polymers and Hydrogels : Understading and Designing Fast-Responsive Systems (N.Yui and K.Park, Eds.)
• 作者: M.Matsuda;N.Hanasaki;S.Ikeda;H.Tajima;T.Naito;T.Inabe;宮浦憲夫;R.Yoshida
• 通讯作者: R.Yoshida

Self-oscillating soluble-insoluble changes of polymer chain including an oxidizing agent induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction

Belousov-Zhabotinsky 反应引起的包含氧化剂的聚合物链的自振荡可溶-不溶变化

• 发表时间: 2005
• 期刊: J. Phys. Chem. B 109 (49)
• 作者: Y.Hara;et al.
• 通讯作者: et al.

Self-oscillation of polymer chains induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction under acid-free conditions

• DOI: 10.1021/jp0501704
• 发表时间: 2005-05-19
• 期刊: JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B
• 影响因子: 3.3
• 作者: Hara, Y;Yoshida, R
• 通讯作者: Yoshida, R