東大ら,超高均一で透明なゲルを創出

東京大学,日本学術振興会の研究グループは,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(ニュースリリース)。

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。

今回,研究グループは,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」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となる。

この研究では,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。

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。

合成されたゲルの空間相関・時間相関を光散乱やX線散乱で評価した結果,空間不均一性を示す散乱光の干渉スポット(スペックル)は一切見られなかった。また,これまで全てのゲルにおいて観測されていた異常な小角散乱は生じず,さらにはゲル化点の決定にも使われていた位置依存的な緩和挙動(非エルゴード性の発現)も一切観測されなかった。

この研究で開発されたゲルは,ゲル化前後での高分子鎖の空間相関・時間相関が全く同一であったことから,もはや一般的な散乱法ではゲル化を検出できないことが明らかになった。

つまり,今回合成されたゲルは,実際にそれを触ってみるまで,溶液なのかゲルなのか判別できないため,この研究では別途粘弾性特性の測定よりゲル化の確認およびゲル化点の決定を行なったという。

今回作製された均一な網目構造を持つゲルは,高性能分離膜としての応用が期待されるだけでなく,構造不均一性に由来する光の異常散乱が起こらないため,ソフトマテリアルとして達成しうる理論上限の透明度が実現された。

このような究極の光学特性から,非常に柔軟で液漏れの心配もない光ファイバーなど光学デバイスへの応用も期待できるという。さらに,導電性高分子でゲルを構築すれば,欠陥による抵抗増加が起こらず,伝導率の向上が見込めるとしている。

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