超高均一で究極に透明なゲルを創出 〜ゲルの状態を再定義〜

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2019-12-07 東京大学

発表のポイント
  • 簡便な方法で、ソフトマテリアルの常識を覆す、極めて均一性の高いゲルの合成に成功した。
  • ゲル化前の溶液内で高分子を緻密に充填することで、ゲル化後でも均一に分散した状態を維

    持できることを突き止めた。

  • 本手法は、幅広い高分子種に適用でき、医学、薬学、化学、光学、電子工学、など幅広い分

    野への波及効果が期待される。

発表概要

東京大学物性研究所のLi Xiang(リ シャン)助教、柴山充弘教授、日本学術振興会の中川 慎太郎特別研究員(現:東京大学生産技術研究所 助教)らの研究グループは、溶液中に星型分岐高分子を緻密に充填した状態で架橋反応を進めることで、架橋構造が超高均一なゲルを創出した。本ゲルは空間的な構造の欠陥がなく、究極に透明という特徴を有するため、光ファイバーなどへの応用が期待される。

ゼリーに代表される柔軟なゲル材料は溶液に溶けた高分子同士をピン留(架橋)することで作られる。この架橋反応は、溶液中で乱雑に動く高分子の間で確率論的に進むため、形成される高分子架橋構造は必然的に不均一なものになると考えられてきた。

本研究で創出されたゲルは、高分子の網目構造が不均一なものであるという常識を覆し、ゲルという状態を再定義するものである。また、提案した手法は、高分子の種類・反応様式に依存しないため、幅広い高分子種に適応でき、医学、薬学、化学、光学、電子工学など幅広い分野への波及効果が期待される。

本成果は2019年12月6日(米国東部時間)に「Science Advances」のオンライン速報版で公開されました。

全文PDF

発表内容
背景

ゼリーに代表される高分子ゲル材料は我々の身の回りにあるありふれたソフトマテリアルであり、おむつや化粧品の吸水・保水剤、リチウムイオン電池の電解質担体、DNAやタンパク質の分離膜、抗がん剤の徐放化担体など、幅広く利用されている。ゲルは溶液中で高分子同士をピン留(架橋)することよって形成され、ナノメートルサイズ(~10−9 m)の網目を持つ高度に発達した3次元架橋構造を有する。

このようなナノ細孔を持つ3次元構造体を形成する他の方法には、ナノリソグラフィー(注1)金属有機構造体(注2)などがあるが、出来上がる構造体全体のサイズは顕微鏡でしか見えないほど小さく(~10−9 cm3)、手で扱える大きさ(~1 cm3)のものを構築するのは極めて困難である。これに対し、ゲルはナノ細孔をもつ材料でありながら、簡単な化学合成で、全体のサイズが手で扱えるほどまで成長させることができるという、他の材料にはない特徴を持つ。

しかし、ゲルの網目構造は一般的に多くの欠陥を含み、非常に不均一である。ゲルに干渉性の良いレーザー光を当てると、これまで全てのゲルにおいて、その不均一なナノ構造を反映した乱雑な干渉スポット(スペックル)が必ず検出されてきた。もし、精緻なナノ構造を維持したまま、手のひらサイズの大きさのゲルを合成することができれば、多くの科学分野に大きな発展をもたらすことができる。

研究内容と成果

今回、Li助教らは、架橋前の高分子を溶液内で緻密に充填することで、溶液内の高分子が架橋前から架橋後まで一貫して空間を均一に埋め尽くす状態を作り出し、最終的な架橋構造が極めて均一なゲルを創出した。溶液内の空間が常に均一に埋め尽くされた状態で進む架橋反応は、古典的なパーコレーション理論の中の「ボンドパーコレーション」(注3)と呼ばれるものに相当し、概念としては1950年代から存在していたが、現実な系で実現できたのは今回が初めてである。

本研究では、4本の長い腕をもつテトラポリエチレングリコールと呼ばれる星型分岐高分子と、タンパク質同士の接着にも使われているアミノペグアミンを架橋剤として用いた(図1)。まず、テトラポリエチレングリコールを溶液中に均一に分散・充填させるため、適切な有機溶媒に溶かした。次に架橋剤となるアミノペグアミンを加えることで架橋、ゲル化させた。

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