安定性と迅速強化を両立する自己強化ゲル材料の開発～計算・情報・実験の融合研究によって設計指針を提案～

SMCR Sci
4 日前
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北海道大学総合イノベーション創発機構化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）の江　居竜准教授、龔　剣萍教授（先端生命科学研究院）、前田　理教授らの研究グループは、熱や光に対する高い安定性と迅速な自己強化性能を兼ね備えたゲル材料の作成に成功しました。本研究では、反応経路自動探索技術と機械学習ポテンシャル技術を組み合わせたシミュレーションによって、適切なメカノフォア分子を予測しました。さらに、それらの結果に基づき、安定性と迅速強化を両立する分子設計の指針も提案しました。

2019年、龔教授のグループはダブルネットワークハイドロゲル技術によって、引っ張りで強度が増す「筋肉のような」ゲル材料を開発。引っ張りでポリマー鎖が切断され、生成されるラジカルを活用し、材料内で新しい高分子ネットワークを形成させることで、自己強化が起こります。前田教授らは、量子化学計算によって反応経路を自動探索し化学反応を予測する人工力誘起反応（AFIR）法を開発。江准教授はこれを引っ張り力による結合の組み換え解析に展開する拡張AFIR法を提案しました。

最近龔教授のグループは、弱い化学結合を持つメカノフォア分子を使うことでラジカル生成効率が上昇し、迅速強化が起こることを示しましたが、材料の安定性に課題がありました。江准教授らは、拡張AFIR法と機械学習ポテンシャル技術を組み合わせ、引っ張りによるラジカル生成と生成したラジカル種の寿命を様々な分子に対して計算。強い結合を持ちながらも弱い引っ張りでラジカルを生成できる「ノード形状」を有する分子を発見しました。実際に、この分子を組み込んだハイドロゲル材料は、安定性と力学反応性を両立することが示されました。「ノード形状」の有無は、安定性と機械応答性を両立する新材料の設計において重要な指針となります。

本研究成果は、英国王立化学会の学術誌Chemical Scienceにて、2025年7月10日（木）にオンライン掲載されました。

【ポイント】