広報活動

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2014年12月30日

独立行政法人理化学研究所
物質・材料研究機構
東京大学

ナノシート間の静電反発力により、構造補強されたヒドロゲル材料

-層に垂直方向の荷重に耐え、水平方向に変形。防振材料などへの応用に期待-

酸化チタンナノシートを内包するヒドロゲルの防振機能の図

図 酸化チタンナノシートを内包するヒドロゲルの防振機能

電気的あるいは磁気的な「反発力」を使って特別な性能を引き出している例として、リニアモーターカーがあります。磁気の反発力で車両をレールから浮上させ、小さな力で高速で走らせます。しかし、構造材料や部品の分野では、「反発力」を利用する試みは行われていないようで、セラミックスやプラスチックなどの構造材料でも、もっぱら構成要素間の「引力」を強めることで強度を高めてきました。ところが、動物の生体組織では「反発力」を巧みに使った機構がすでに備わっているのです。例えば、関節軟骨はマイナス電荷を帯びた高分子で構成され、その静電的な「反発力」によって、高い耐荷重性と低摩擦性を得ています。ひざの関節軟骨は約300kgの荷重に耐え、軟骨同士の摩擦も非常に少ないそうです。これで、数十年間も動くのですから、優れモノです。

理研と物質・材料研究機構の共同研究グループは、「反発力」を活用した構造材料を、ナノレベルの構造体を使って実現しようと試みました。共同研究グループは、酸化チタンのナノシート(シート状のナノ構造物質)を水中に分散して磁場を与えてみました。すると、磁場に対して垂直な方向にナノシートが強制的に配列され、ナノシートの面と面が互いに向き合ってシート間に巨大な静電反発力が現れました。この現象は磁場の印加がないと消失します。そこで、ナノシートの分散液にビニルモノマーを加え、磁場を与えたまま重合して構造を固定してゲル化しました。これにより、静電反発力で内部から支えられた「ヒドロゲル(三次元のナノ網目構造を水で膨らませたゼリー状物質)」材料が得られました。このヒドロゲルは、“縦方向の大きな荷重には耐え、横方向は容易に変形する”という、ユニークな特性を示しました。

共同研究グループは、これまで構造材料に応用されていなかった「反発力」が、材料の機械的物性を制御する上で極めて有用であることを実証しました。開発したヒドロゲル材料には、荷重に耐える材料、振動を記憶する材料、あるいは医療向けの関節代替材料など、さまざまな応用が期待できます。この成果は、今後、構造材料の設計に大きな影響を与えると想定されます。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 超分子機能化学部門 創発ソフトマター機能研究グループ
グループディレクター 相田 卓三 (あいだ たくぞう)
(東京大学大学院工学系研究科教授)

創発物性科学研究センター 超分子機能化学部門 創発生体関連ソフトマター研究チーム
チームリーダー 石田 康博 (いしだ やすひろ)