異方配向した無機酸化物ナノシートによる自励振動ゲルの時空間制御

使用各向异性取向的无机氧化物纳米片对自振荡凝胶进行时空控制

基本信息

批准号：
15F15044
负责人：
吉田亮
金额：
$ 1.47万
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：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

我々は、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応の触媒であるRu錯体と、代表的な感温性ポリマーであるpoly(N-isopropylacrylamide) (NIPAAm)とを共重合することにより、BZ反応の周期的酸化還元反応に応答して力学的振動を発現する自励振動高分子ヒドロゲルを開発してきた。このヒドロゲルは、Ru触媒の価数に応答して膨潤・収縮する結果、あたかも生き物のような動きを自発的に繰り返す。一方、酸化チタンナノシートは珍しい磁性を保つため、外部磁場を印可することにより全てのナノシートは一軸配向する。モノマーとナノシートの混合溶液からゲルを作成時に外部磁場を印可することにより、配向したナノシートをヒドロゲルの中に固定する事が可能である。そこで本研究では、自励振動ゲルと磁場配向ナノシートとの複合化により、前例のない「速く、大きく、異方的な」ゲルの自励振動変形を実現することを目指した。このヒドロゲルを用いてBZ反応を起こした結果、ゲルは異方的かつ大きい変位で変形振動を繰り返した。詳細なメカニズムは検討中であるが、酸化チタンナノシートのドメイン間に存在する高分子鎖の水和・脱水和、高分子鎖に結合しているRu錯体同士の静電反発がBZ反応の振動に同調して起こるために、ナノシート平面に対し垂直方向に伸張・収縮を繰り返すゲルの形状変化が生じると考えられる。今回の研究では、異方配向したイオン性ナノシートを利用し、異方的変形を示す自励振動ゲルを開発した。その動きは、従来の自励振動ゲルの等方的膨潤収縮挙動と異なる。本研究により、変形の自律性と異方性を同時に制御することが可能となり、新規なソフトアクチュエータの開発が期待される。

通过将 Belousov-Zhabotinsky (BZ) 反应的催化剂 Ru 络合物与典型的温敏聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺) (NIPAAm) 共聚，我们开发了一种 BZ 反应的循环氧化方法我们开发了自振荡聚合物水凝胶，可响应还原反应而表现出机械振动。这种水凝胶会根据钌催化剂的价态而膨胀和收缩，因此，它会像生物一样自发地重复运动。另一方面，由于二氧化钛纳米片保持了不寻常的磁性，因此通过施加外部磁场，所有纳米片都会变成单轴取向。通过在从单体和纳米片的混合溶液产生凝胶时施加外部磁场，可以将定向纳米片固定在水凝胶中。因此，在这项研究中，我们的目标是通过将自振荡凝胶与磁取向纳米片相结合，实现凝胶前所未有的“快速、大且各向异性”的自振荡变形。使用该水凝胶进行 BZ 反应的结果是，凝胶反复变形和各向异性振荡，位移量很大。尽管详细机制仍在研究中，但氧化钛纳米片域之间存在的聚合物链的水合/脱水以及与聚合物链键合的Ru配合物之间的静电排斥导致了BZ反应的振动。同时，据认为凝胶的形状通过在垂直于纳米片平面的方向上重复膨胀和收缩而改变。在这项研究中，我们使用各向异性取向的离子纳米片开发了一种表现出各向异性变形的自振荡凝胶。这种运动不同于传统自振荡凝胶的各向同性膨胀-收缩行为。这项研究使得同时控制变形的自主性和各向异性成为可能，并有望促进新型软执行器的开发。