東京大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和４年４月７日

東京大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

伸びすぎるゲル　引き算の構造設計で理論限界近くまで伸びるゲルの開発に成功

ポイント

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用いられている、ウエットで柔らかい材料です。また、ゲルは、長いひも状の高分子鎖の間に橋を架ける架橋反応で作製される３次元の網目状高分子が水を保持した物質です。２本の高分子鎖を架橋すると、４方向に枝分かれした分岐点ができます。そのため、高分子材料の網目構造は４分岐が一般的であり、他の分岐数の検討例は多くはありませんでした。

今回、東京大学 大学院工学系研究科の酒井 崇匡 教授、藤藪 岳志 大学院生らの研究グループは、一般的な４分岐構造を３分岐構造に簡素化した「３分岐ゲル」を開発したところ、最大３０倍以上伸ばしても破断しない常識外れの強靭性を持つことを発見しました。しかし、３分岐ゲルは伸びすぎて、何倍伸びているのかの正確な測定が困難でした。そこで、研究グループは、あえて伸びないゲルを作製して正確な測定を行い、通常の４分岐ゲルは理論限界の３０パーセントで破断するのに対して、３分岐ゲルは理論限界近くまで伸びることを明らかにしました。それだけでなく、３分岐ゲルは、何度も繰り返し負荷を加えても常に一定の強靭性を示すロバスト強靭性を示すという顕著な特徴があることも分かりました。

３分岐ゲルの常識外れの強靭性のメカニズムを探るため、研究グループは大型放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ－８）の世界最高性能の放射光を用いたその場観察を行い、「伸張誘起結晶化」に由来することも明らかにしました。ゲルの伸張誘起結晶化は、特殊な構造を持つゲル（環動ゲル）で２０２１年に初めて観察された新しい強靱化メカニズムです。今回、網目構造の簡素化という簡便な方法で伸張誘起結晶化による強靱化が可能であることが明らかとなったため、今後の社会実装が容易になると期待されます。例えば、強度不足によりこれまで不可能であった、繰り返し衝撃が加わる過酷な環境で使用される人工腱・靭帯用のゲル材料の開発につながる可能性があります。また、高分子材料の材料寿命の延伸や添加剤の削減など、環境負荷の低減も期待されます。

本研究成果は、２０２２年４月６日（米国東部夏時間）に米国科学振興会発行の学術雑誌「Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｄｖａｎｃｅｓ」のオンライン版に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ（Ｎｏ．ＪＰＭＪＣＲ１９９２）および、日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科研費・基盤研究Ａ（２１Ｈ０４６８８）、学術変革領域研究（２０Ｈ０５７３３）、若手研究（１９Ｋ１４６７２）、特別研究員奨励費（１９Ｊ２２５６１）の支援を受けたものです。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Tri-branched gels: Rubbery materials with the lowest branching factor approach the ideal elastic limit”
ＤＯＩ：10.1126/sciadv.abk0010

＜お問い合わせ先＞

（英文）“Tri-branched gels: Rubbery materials with the lowest branching factor approach the ideal elastic limit”

前に戻る