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~アインシュタインの関係式と負のエネルギー弾性から発想~

2021-11-30

2021-11-30 東京大学,科学技術振興機構

ポイント

乾燥ワカメや紙おむつの吸水剤のように「水に浸したゲルが吸水して膨らむ速度」の温度による変化を決める物理法則を世界で初めて明らかにしました。
ゲルの膨らむ速度の温度変化は、最近発見された「負のエネルギー弾性」とブラウン運動におけるアインシュタインの関係式を組み合わせた新しい法則で決まることが分かりました。
ゲルの膨らむ速度の制御は、ゲルをバイオセンサーやドラッグデリバリーシステムにおける薬物送達キャリアとして用いる際に重要であり、これらの材料設計に役立ちます。

ゲルは、ゼリーなどの食品や、ソフトコンタクトレンズなどの医用材料に活用される、ウェットでやわらかい物質です。乾燥ワカメや紙おむつの吸水剤のように、水に浸したゲルは周囲の水を吸収して膨らみますが、膨らむ速度の温度変化を決める物理法則は未解明でした。

今回、東京大学大学院工学系研究科の藤藪岳志大学院生、作道直幸特任講師、酒井崇匡教授らの研究グループは、構造が明確なゲルを用いて世界最高精度の測定を行い、ゲルの膨らむ速度の温度変化について、新しい法則を発見しました。この新しい法則は、アインシュタインの提唱したブラウン運動（水中の微粒子の不規則な熱運動）の理論と、最近の発見であるゲルのやわらかさを決める「負のエネルギー弾性」から着想を得て、両者のアイデアを組み合わせることで、明らかになりました。

ゲルは、生体軟組織との類似性が高いため、生体と接触して使用される医用材料としてさらなる応用が期待されています。本研究は、バイオセンサーやドラッグデリバリーシステムにおける薬物送達キャリアなど、ゲルの形態変化を伴う製品の開発に役立つと考えられます。

本研究成果は、米国物理学会発行の学術雑誌「ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ」のオンライン版に２０２１年１１月３０日（米国東部時間）に掲載されます。

本研究は、ＪＳＰＳ科研費・基盤研究Ａ（２１Ｈ０４６８８、２１Ｈ０４９５２）、学術変革領域研究（２０Ｈ０５７３３）、若手研究（１９Ｋ１４６７２、２０Ｋ１５３３８）、特別研究員奨励費（１９Ｊ２２５６１、２１Ｊ１３４７８）、および科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ（Ｎｏ．ＪＰＭＪＣＲ１９９２）、センター・オブ・イノベーション（ＣＯＩ）プログラム（Ｎｏ．ＪＰＭＪＣＥ１３０４）の支援を受けたものです。

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