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倾斜构造を导入し、自励振动高分子によって修饰された界面の概念図
図中の赤色の领域が叠窜反応を促す、金属触媒搁耻(产辫测)₃の還元状態 （水となじみにくい疎水性／膜の厚さが減少）、緑色の領域がRu(bpy)₃の酸化状態 （水となじみやすい親水性／膜の厚さが増加） に対応する。化学反応が表面上を伝わっていくのに伴い、物性や形態が変化した領域が界面を移動する。 今回の傾斜構造を導入した界面では、傾斜方向に沿った運動が観察された。
© 2017 Ryo Yoshida.

东京大学大学院工学系研究科の吉田亮教授らの研究グループは、高分子から成るナノサイズの表面や界面に、生体内の输送や运动にかかわるモータータンパク质のような自律的かつ方向性を持った运动机能をもたせることに成功しました。本成果は、微小な物质を自律的に输送するシステムなど、新しいナノマシンや生体の机能を模倣できる材料としての展开が期待されます。

近年、高分子などやわらかい材料から构成される表面や界面（ソフト界面）は、その化学的、物理的な特性によって特定の机能を発挥する、机能性材料として大きな注目を集めています。特に、刺激に対して応答する高分子（刺激性応答性高分子）の表面を修饰することで、温度、光、辫贬等の変化に応答して形态や物性の変化を起こす、动的なソフト界面の设计も可能になってきました。これらは机能を発挥するために、外界からの刺激が必须となります。一方で、生体のモータータンパク质のように外界からの刺激がなくとも自律的に机能を発挥するソフト界面が设计できれば、新しいナノマシンなど、これまでにない全く新しい応用の展开が期待されます。

研究グループは生体内の代谢回路の人工的なモデルとして知られるベロウソフ?ジャボチンスキー反応（叠窜反応）を高分子材料内で引き起こすことで、一定の条件で周期的に运动（心臓のような拍动）する自励振动（じれいしんどう）高分子を开発しており、今回、この高分子を用いて自律的な変化が起こるソフト界面を设计しました。さらに、研究グループは、膜の厚さを一方向に连続的に倾斜させた表面を设计することで、高分子の运动の駆动力となる叠窜反応が周期的な波として伝わる方向を制御することに成功しました。

外部からの刺激がなくても膨らんだり、しぼんだりを繰り返す高分子材料は世界的にも新しい研究です」と吉田教授は话します。「膨张や収缩を繰り返す特性に加えて、构成高分子锁自体が互いに作用して生まれる运动や特有の振る舞いこそが重要であり、そこに生命现象とも共通した魅力を、今回私たちが开発したシステムに感じます」と続けます。

「一定の条件で自律的な机能を発现する、局所的な物性変化が起こり、その领域が伝播するといった特徴は他の机能性表面にはないユニークな机能です」と増田造大学院生は説明します。「今回、ナノサイズの倾斜を导入することでその运动性を制御することに成功しました」と続けます。

本成果は東京女子医科大学 先端生命医科学研究所の岡野光夫 特任教授らとの共同研究により得られたものです。

论文情报

Tsukuru Masuda, Aya Mizutani Akimoto, Kenichi Nagase, Teruo Okano, Ryo Yoshida, "Artificial cilia as autonomous nanoactuators: Design of a gradient self-oscillating polymer brush with controlled unidirectional motion", Science Advances Online Edition: 2016/09/01 (Japan time), doi:10.1126/sciadv.1600902.
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