「スーパーゼリー」：どんなに潰しても割れない、ゼリーのノキア！

私たちが子どもの頃、スーパーマーケットの棚に並ぶ色鮮やかでさまざまな形のゼリーはいつも私たちの注目を集めていました。弾力があって噛みごたえがあり、噛むと粉々に砕け散り、次の瞬間には口の中に飛び込んできそうな感じがします。

ゼリーは柔らかくて「壊れやすい」という印象があります。

現在、科学者たちは、車に押しつぶされても無傷のまま残る魔法の「ゼリー」を発明した。まさに「ゼリー」の中の「ノキア」です。

図 |車両による繰り返しの圧迫にも関わらず、この素材は無傷のままである（出典：論文）

最近、英国ケンブリッジ大学メルヴィルポリマー合成研究所のオーレン・シャーマン教授率いるチームが、高性能のガラス状ゲル状超分子ポリマーネットワーク（SPN）を開発しました。

このポリマーは、水分含有量が最大 80% であっても、超高圧縮強度、繰り返し安定性、室温での急速な自己回復性を備えており、ソフトロボット、組織工学、ウェアラブルバイオエレクトロニクスなどの用途に大きな可能性を秘めています。

（出典：ネイチャーマテリアルズ）

「高圧縮性ガラス状超分子ポリマーネットワーク」と題された関連研究論文が科学誌「ネイチャーマテリアルズ」に掲載されました。

ゼリー、ハイドロゲル

ゼリーは実際にはハイドロゲルであり、ゲルとは流動性を失って液体を多く含む半固体物質になるゾルを指します。

ジェル素材は実は私たちの生活のいたるところに存在しています。ゼリーに加えて、仙草ゼリーやパールミルクティーのパールもすべてハイドロゲルです。私たちがつけているコンタクトレンズや、熱があるときに貼る解熱パッチなどは、すべてゲル素材でできています。

超分子ポリマーゲルもゲルの一種です。とても重要な柔らかい素材です。この材料は、主に次の 3 つの方法で複数の非共有結合相互作用に基づいて組み立てられます。

1) 水素結合に基づく超分子ポリマーゲル
2) 金属配位に基づく超分子ポリマーゲル
3) ホスト-ゲスト分子認識に基づく超分子ポリマーゲル。

この非共有結合相互作用モードの可逆性により、超分子ポリマーは光、電気、熱などの条件下での刺激応答性など、通常のポリマーとは異なる多くの特性を持ちます。

この特性により、スマート材料の開発において大きな意義が生まれます。スマートウェアラブル、薬物送達、生体材料などは、超分子ポリマー材料と切り離せません。

物質が柔らかいか硬いか、脆いか強いかといった物質の挙動は、その分子構造によって決まることはよく知られています。

超分子ポリマーハイドロゲル材料には多くの興味深い特性があります。刺激に対する反応に加え、強い靭性と自己修復能力も備えています。しかし、高圧に耐え、潰れないハイドロゲル材料を製造するのは大きな課題です。

「スーパーゼリー」はどのように作られるのですか？

研究チームは、ククルビトゥリルと呼ばれる樽型の分子を使用して、圧力に耐えられるハイドロゲルを作成した。

ククルビツリルはククルビタシンとも呼ばれ、高い剛性と特殊な構造を持つ架橋分子です。ひょうたんのような形をしており、両端に空洞があります。その空洞には、分子の「手錠」のように 2 つのゲスト分子を収容できます。

研究者らは、ゲスト分子が通常よりも長く空洞内に留まるように設計し、これによりポリマーネットワークがしっかりと接続されたままになり、より強い圧力に耐えられるようになった。

図｜ガラス状SPNの設計a. SPN の動的メカニズムの概略図 (上) b.パーフルオロフェニル（5FBVI）、置換フェニル（RBVI）ゲストおよびホストマクロサイクルの分子構造。紀元前第一および第二の関連するホスト強化極性π-π相互作用とそれらに関連する速度論的パラメータを含む三元錯体形成平衡。 d.上記の相互作用と 2 つの RBVI ゲストによって架橋された超分子ポリアクリルアミド ネットワークは、解離速度が遅く、圧縮強度が高いことが示されています。 （出典：本論文）

このポリマーの80%は水で、これは私たちが食べるリュウガンの果実の水分含有量より約10%高いです。リュウガンは口に入れて噛むと折れてしまいますが（成人の噛む力は約50kg）、今回の研究で使用したポリマーは車の重量（1200kg）にも耐えることができます。

このポリマーがどれだけの耐圧性と優れた圧縮性能を持っているかは想像に難くありませんが、これほど大きな耐圧性はハイドロゲル材料では非常に困難です。同時に、同じ素材で優れた弾力性と強力な圧縮抵抗性を兼ね備えているのは驚くべきことです。

それだけでなく、この素材は繰り返し圧縮性に優れており、車に繰り返し押しつぶされても変形したり破損したりしません。

この材料の機械的特性について、論文の筆頭著者であるZehuan Huang博士は、「私たちが望む機械的特性を持つ材料を作るために、解離が遅い非共有結合性の架橋剤を使用して、2つの分子を化学結合で結び付けました」と述べています。

さらにすごいのは、「スーパーゼリー」の耐圧能力は一定の範囲内で調整できるということ。 「手錠内部のゲスト分子の化学構造を変えるだけで、材料の圧縮強度を簡単に制御できることがわかった」と論文の共著者であるジェイド・マッキューン博士は述べた。

これはちょうど旧正月に餃子を作るときと同じです。普通の餡子であれば、柔らかくて香ばしい味になります。しかし、餃子の中にコインを入れると、間違いなく歯が折れてしまいます。

同様に、圧縮強度の調整に加えて、この材料の状態も調整できます。研究チームは「手錠」のために特定のゲスト分子を選択しました。ゲスト分子の分子構造を変えると、材料のダイナミクスが大幅に「遅くなる」可能性があり、最終的には材料の機械的特性がゴム状からガラス状に変化します。

したがって、極めて高い圧縮性と超高強度を備えたこのゲル状 SPN 材料は、高性能ソフト材料における重要なマイルストーンとなります。

この点について、黄澤環博士は「私たちの知る限り、この材料が作られたのは今回が初めてです。教科書に新しいことを書いただけではなく、高性能ソフトマテリアルの分野に新たな章を開いたのです」とも述べた。

「ゼリー」が靴底になる

科学技術の継続的な発展に伴い、高性能圧力センサーは、電子皮膚、ウェアラブルデバイス、ソフトロボットなどの研究分野で大きな意義を持ちます。

しかし、これまでのところ、ほとんどのハイドロゲルベースの圧力センサーの検知範囲は比較的狭く、400 kPa 未満の低圧に限られており、高圧検知への応用は制限されています。

研究者らは、バイオエレクトロニクスにおけるこの材料の応用を強調するために、ハイドロゲルベースの静電容量式圧力センサーを作製し、SPN の表面を半球状の構造にして材料の感度を向上させました。

研究によると、この半球形センサーは、平面圧力センサーの 3 ～ 4 倍の感度を示しながら、最大 2.5 MPa (1 MPa = 1000 kPa) の超高圧動作に耐えることができます。

研究者らはセンサーを足の裏に取り付け、3つの動作（歩く、ジャンプする、立つ）をリアルタイムで監視することに成功した。

リアルタイムモニタリングプロセス中、人体はそれぞれ 10 秒間、歩行、ジャンプ、立ち上がりの動作を実行しました。研究者たちは、それぞれの動きごとに静電容量が一貫して変化することを観察し、材料は変形するたびに完全に自己回復することができた。

これらのデータを組み合わせると、この素材の超高圧縮特性により、義肢、腕の感覚触覚、ロボットの皮膚などへの応用が期待できることが示唆されます。

図 | SPN に基づく静電容量圧力センサーによって監視される人体の圧縮動作。 a.人間の動きを感知するために、80 kg の人間の足に取り付けられたドーム構造の圧力センサーのデモンストレーション図。 b.歩く、ジャンプする、立つという 3 つの人間の動作における静電容量の変化を時間とともにリアルタイムで監視する図。 e.半球形の表面構造を持つ静電容量式圧力センサーの概略図。 f.感度を示す相対静電容量と圧力の図。

おそらく近い将来、この素材は人工筋肉、組織工学、ソフトロボット、ウェアラブルバイオエレクトロニクスなどの分野に大きな変化をもたらす可能性があります。

しかし、このゲル状超分子ポリマーは、従来の共有結合ポリマー（私たちの生活によくあるタンパク質、シルク、デンプン、ゴムなど）と競合できるのでしょうか？

この素材は将来私たちの生活の中でプラスチックに取って代わることができると思いますか?

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参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01124-x
https://www.eurekalert.org/news-releases/935677

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.5b00369

執筆: Hao Jing 編集: Kou Jianchao レイアウト: Li Xuewei

出典: アカデミックヘッドライン