外部環境に応じて物質輸送と物質破壊を切り替える自律型分子マシン集団の設計と構築

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本年度は，昨年度に開発した遠心デバイスを利用した複雑形状マイクロゲル粒子作製法を発展させ，白金の過酸化水素水に対する触媒反応を利用して自律運動する複雑形状マイクロゲル粒子の構築とその解析に取り組んだ．この方法で作製された白金を含む複雑形状マイクロゲル粒子は，過酸化水素水溶液中で酸素の気泡を発生させながら推進する様子が観察された．さらに本研究では，複雑形状マイクロゲル粒子の運動に関する数理モデルを構築し，それに基づいてシミュレーションした結果と実験結果との比較を行った．ここで構築した数理モデルは駆動力の揺らぎに着目したモデルである．このシミュレーションの結果，特に白金部位を二つ有するプロペラ型マイクロゲル粒子に非対称な駆動力の揺らぎを加えた場合，非自明な自律的円運動を示すことがわかった．この非自明な円運動は，前述の実験でも同様に観察された．この成果は，査読ありの学術雑誌に掲載された．H28年度では，前述のような自律運動システムを集団系に拡張するための基礎科学的な研究として，自律運動するマイクロ粒子集団が示す集団運動の解析とその数理モデルの構築にも取り組んだ．本研究では，マイクロパターン電極上にマイクロ粒子分散液を満たした後，電極間に直流電圧を印加し，粒子の運動を観察した．粒子密度が低い領域では，粒子それぞれが自律的に運動する様子が確認されたものの，その運動に方向性はみられなかった．一方，粒子密度が高い領域では，マイクロ粒子が集団を形成することで方向性のある集団運動が生じることがわかった．現在，この集団運動の数理モデルの構築に取り組んでいる．本成果は，集団自律運動の基礎科学的な知見として，集団として機能する群マイクロマシンの構築だけでなく，物質を自律的に輸送するシステムの構築，非線形・非平衡科学関連する現象の解明など，多くの分野で役立つと期待できる．