Flapping Molecules for Local Force / Local Viscosity Imaging with Ultra-low Threshold

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亀裂などの破壊が起こる前に、高分子材料の中でどのくらいの比率の分子鎖がピンと張られているかを知る上で最適な、新しいタイプの蛍光フォースプローブを開発した。一般に高分子材料が変形して特定の分子鎖に無理な力がかかると、ついには化学結合が切れてしまい、材料の破壊が進む。しかし、そうなる前のタイミングでは、およそ100 pN の力が分子鎖にかかってピンと張られる。独自に開拓した羽ばたく蛍光分子群FLAPはこの領域の力に可逆応答する蛍光フォースプローブである。すなわち、FLAP はV 字型構造が安定で青色蛍光を示すが、共有結合が切れない程度の微弱な張力がかかっている間だけ、基底状態で強制的に平面化され、緑色蛍光を発する。微量のFLAPを分子鎖に導入した高分子材料で一軸延伸のサイクル試験をしたところ、蛍光スペクトル形状が可逆変化し、蛍光レシオメトリック解析により分子鎖に伝わる力の偏り（ナノ応力集中）に関する新たな高分子レオロジーの知見が得られた。また、FLAPフォースプローブを、溶媒が含まれる高分子ゲルにも適用できるよう改良した。その結果、溶媒を含むポリウレタンゲルを1 MPa未満の応力で圧縮したときに生じる、高分子鎖の張力分布を可逆的かつリアルタイムに動画撮影することに成功した。さらに、FLAPを導入したPEG高分子の溶液を、急縮小マイクロ流路に流したところ、高分子鎖にかかる伸長応力に応答して、流速に応じた蛍光スペクトル変化が観察された。また、FLAPは、1から100 cPという低閾値の粘度範囲において、動く観察対象の局所における粘度分布を解明できる。今回、ネマチック液晶である5CBが等方相へ熱相転移する際の微弱な粘度変化をFLAPの蛍光レシオ解析により捉えることができた。また、共同研究により、FLAP自体が溶液から固体へと乾固する凝集過程を蛍光スペクトルイメージングにより追跡した。