ゲルのやわらかさの秘密：「負のエネルギー弾性」を発見

2021-03-04

2021-03-04 東京大学,科学技術振興機構

ポイント

ゲルのやわらかさを決める物理法則は何か？という非常に基本的な問題について、その鍵となる「負のエネルギー弾性」を世界で初めて発見しました。
「ゲルのやわらかさは、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１００年近く信じられてきた定説を覆しました。
食品や医療としてゲルを活用する際に重要な「やわらかさの温度変化」は、従来の想定よりも数倍大きくなることを実証し、やわらかさを決定する物理法則を明らかにしました。

東京大学大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻の吉川祐紀　大学院生、作道直幸　特任助教、酒井崇匡　教授らは、ゲルのやわらかさに潜む「負のエネルギー弾性」を発見しました。

ゲルは、ゼリー、豆腐などの食品や、ソフトコンタクトレンズ、止血剤など医療に活用される、ウェットでやわらかい物質です。ゲルから水を蒸発させたものがゴムです。ゲルとゴムのやわらかさは熱力学第二法則（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のが、１００年近く信じられてきた定説でした。

今回、本研究グループは、この長年の定説がゲルについては間違いであることを発見しました。ゲルは、保持する水に由来する「負のエネルギー弾性」により大幅にやわらかくなっており、やわらかさの温度変化もこれまでの想定より数倍大きいことが分かりました。ゲルのやわらかさを決定する物理法則が解明されたことで、食用や医療用などの新規ゲル材料の開発や、ゲルが利用される産業全般に広い波及効果が期待されます。

本研究成果は、米国物理学会発行の学術雑誌「ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＸ」に２０２１年３月５日（米国東部時間）に掲載されます。

本研究は、科学研究費補助金基盤研究Ｓ（１６Ｈ０６３１２）、基盤研究Ｂ（１８Ｈ０２０２７）、若手研究（１９Ｋ１４６７２）、および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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