スマートマテリアルに駆動力と機能を付与するレーザープロセシング技術の確立

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2022年度は、ハイドロゲルに金属イオンを含有させ、内部にフェムト秒レーザーを集光・走査することで三次元の金属微細構造を作製する研究を実施した。実験研究により、金属グレーティング構造を作製し、同構造を用いてバイオセンシングを行った。まず、ハイドロゲルにグルタミンを含有させることでレーザー非照射部における金ナノ粒子の生成を抑制し、グレーティング構造の吸光スペクトルを狭帯域化した。尿素でのみグレーティング構造の吸光スペクトルの短波長側へのシフトが確認され、この結果は尿素選択的なプラズモニックセンサの実現に寄与すると考えられる。また、刺激応答性ハイドロゲル内部への金属微細構造の作製を行い、ハイドロゲル構造の駆動において必要となる光熱変換用の光吸収体として利用した。ハイドロゲルの体積相転移を活用して、マイクロ流路内の流速変化が可能であることを実験的に示した。以上の成果をとりまとめ、原著論文として公刊した。さらに、構造作製中の体積相転移を抑制することを目的として、レーザーの高速走査システムを構築した。また、研究開始当初は発想していなかった内容であるが、前駆体材料をハイドロゲルに含有させることで、ハイドロゲル表面に導電性の黒鉛化炭素構造を作製できることを見出した。アガロースゲルにリグニンを含有させ、フェムト秒レーザーを照射することにより作製された導電性構造を用いて電気二重層キャパシタを作製した。このハイドロゲルへの微細構造作製技術は、本研究の目的であるスマートマテリアルに機能を付与することに大きく貢献する。具体的には光吸収体作製による光学特性の付与、光吸収を介した駆動力の付与、さらに、電気的特性の付与が期待できる。以上の研究において、レーザー照射に関する研究全般を研究代表者の寺川が、ハイドロゲルの作製ならびに選定を研究分担者の尾上が担当した。