創発生体関連ソフトマター研究チーム

主宰者

主宰者名 石田 康博 Yasuhiro Ishida
学位 博士(工学)
役職 チームリーダー
略歴
2001 東京大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻 博士課程修了
2001 同 新領域創成科学研究科先端生命科学専攻 助手
2002 同 工学系研究科化学生命工学専攻 助手
2007 同 講師
2007 科学技術振興機構 さきがけ研究員
2009 理化学研究所 複合ソフトマテリアル研究チーム チームリーダー
2010 同 生体模倣材料研究チーム チームリーダー
2013 同 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 (現職)

研究室概要

近年、軽量かつ柔軟で生体に優しい「ソフトマテリアル」が注目を集め、生体組織との類似性ゆえに、人工臓器の最右翼とも目されている。しかしながら、今日の人工ソフトマテリアルは、果たして本当に生体組織に似ているだろうか? 改めて見比べると、殆どの人工ソフトマテリアルは等方的である一方、多くの生体組織は巨視的に異方的であることに気づく。筋肉・骨・神経に代表されるように、異方構造はしばしば、優れた機能の根源となる。当チームでは、磁場などの外場を利用し、高度な配向が巨大なサイズで連続した異方的ソフトマテリアルを合成するとともに、その特異な機能・物性を探求し、より生体に近づいた人工材料の開拓を目指した研究を行っている。

研究分野

化学、材料科学

キーワード

自己組織化
生体模倣
ソフトマテリアル
刺激応答材料
環境低負荷材料

研究紹介

ナノシート間の静電反発力を利用し、異方的に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 -

電気的・磁気的な「反発力」を利用した、リニアモーターや磁気ベアリングなどの装置は、「引力」を利用するだけでは得られない特別な性能を発揮する。これに対し、ゴムやプラスチックなどの高分子材料では、構成要素間の「引力」を強めることで強度向上が図られるものの、「反発力」を利用する試みは全く行われてこなかった。一方、動物の関節軟骨は、高密度の負電荷を帯びた高分子で構成され、その静電的な「反発力」により、高い耐荷重性と低摩擦性とを両立している。

我々は、水中に分散したイオン性の酸化チタンナノシートに磁場を印加すると、全てのナノシートが磁場に対して垂直に配向し、ナノシート同士が互いに面と面を向き合わる結果、ナノシート間に巨大かつ異方的な静電反発力が現れることを見出した。この水分散液をゲル化すると、異方的な静電反発力を内包したヒドロゲル材料が得られる。この材料は、縦方向の荷重に耐えつつ、横方向には容易に変形するという、通常の材料では実現しにくい特異な力学物性を示し、防振材料として優れた性能を発揮する。

今回の発見は、これまで全く省みられなかった「反発力」が、構造材料の力学物性を制御する上で極めて有用であることを実証したもので、今後の材料設計に大きな影響を与えると期待される。

図

異方的な静電反発力を内包したヒドロゲル

メンバー一覧

石田 康博 Yasuhiro Ishida

チームリーダー y-ishida[at]riken.jp R

山田 邦代 Kuniyo Yamada

専門技術員

Krishnachary Salikolimi

研究員

Xiang Wang

研究員

Zhifang Sun

特別研究員

堀本 訓子 Noriko Horimoto

テクニカルスタッフI

金井 逸人 Hayato Kanai

テクニカルスタッフI

Shuxu Wang

大学院生リサーチ・アソシエイト

熱田 優妃 Yuki Atsuta

研究パートタイマーII

村中 里美 Satomi Muranaka

研究パートタイマーII

主要論文

  1. K. Sano, X. Wang, Z. Sun, S. Aya, F. Araoka, Y. Ebina, T. Sasaki, Y. Ishida, and T. Aida

    Propagating wave in a fluid by coherent motion of 2D colloids

    Nat. Commun. 12, 6771 (2021)
  2. K. Salikolimi, V. K. Praveen, A. A. Sudhakar, K. Yamada, N. N. Horimoto, and Y. Ishida

    Helical supramolecular polymers with rationally designed binding sites for chiral guest recognition

    Nat. Commun. 11, 2311 (2020)
  3. Y. S. Kim, M. Liu, Y. Ishida, Y. Ebina, M. Osada, T. Sasaki, T. Hikima, M. Takata, and T. Aida

    Thermoresponsive actuation enabled by permittivity switching in an electrostatically anisotropic hydrogel

    Nat. Mater. 14, 1002 (2015)
  4. M. Liu, Y. Ishida, Y. Ebina, T. Sasaki, T. Hikima, M. Takata, and T. Aida

    An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion between cofacially aligned nanosheets

    Nature 517, 68 (2015)

研究紹介記事