【論文】A03班グン剣萍教授らの論文がAdvanced Materialsに掲載され、裏表紙に採用、各メディア媒体で報道されました

Instant Thermal Switching from Soft Hydrogel to Rigid Plastics Inspired by Thermophile Proteins

T. Nonoyama, Y. W. Lee, K. Ota, K. Fujioka, W. Hong and J. P. Gong

Advanced Materials, 2020, 32(4), 1905878 (7ぺージ)

DOI: 10.1002/adma.201905878　　※オープンアクセス

好熱菌を構成するタンパク質の熱安定機構に習った、高速なゲル-プラスチック熱転移を示すソフトマテリアル

ビニール袋やペットボトルを熱すると柔らかくなる経験の通り、通常、高分子は低温で硬く（ガラス状態）、高温で柔らかく（ゴム状態）なります。この高分子の温度に対する固有の性質とは逆の「低温でゴム状態、高温でガラス状態」を示すソフトマテリアルを世界で初めて開発しました。この転移は、ハイドロゲルの熱相分離現象を利用しており、均一な高分子ゲルがある温度以上で高分子濃厚相と希薄相に分離し、高分子濃厚相がガラス化することで達成されています（図１）。

これまでの相分離ゲルでは、ガラス化するほどの強い相分離を引き起こすことができませんでした。その強い相分離を達成するために、我々は海底熱水鉱床や温泉源に生息する好熱菌のタンパク質の構造に着目しました。好熱菌を構成するタンパク質は、我々のような通常環境に生きる生物のものと比較して、多くのイオン結合部位及び疎水性相互作用部位を有することで高温でも変性しない安定な構造を形成しています。また、疎水環境ではイオン結合の強度が増強されることが知られています。我々は、相分離後の疎水的な高分子濃厚相にイオン結合が取り込まれるようなゲルを、非常に安価で汎用的な無毒の原料を用いて設計することで、ガラス化するほどに強い相分離を達成しました。低温では透明なゲルは、高温で相分離すると白濁し、高温の硬い状態では、厚さ1mm程度のシートで10kgの重りを支えることができます（図２）。

低温と高温の状態を比較すると、硬さは最大で1800倍ジャンプし、例えると食用ゼリーが瞬時に硬いプラスチックに変わるような変化に相当します。また、この物性ジャンプは極めて高速で何度でも繰り返し起こすことができます。この材料を用いて、交通事故などの摩擦熱で硬くなり身体を保護する熱応答性スマートプロテクターとしての応用が可能です。また、相分離に伴う大きな吸熱を利用して、電力を用いない省エネルギー型の温度上昇低減材料への応用が期待されます。