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Belousov-Zhabotinsky Gels
Belovsov-Zhabotinsky（BZ）反応は化学物質の濃度が時間・空間的に振動することで知られるユニークな現象です。これを刺激応答性ゲルと結びつけることにより、体積が周期的に変化するゲルを作ることができます(BZゲル)。BZゲルの体積変化は元々大きくありませんでしたが、我々はゲルの構造を多孔質化することによって、ゲルのキネティクスを向上させ、ゲルの体積の変化率を大きく向上させられることを発見しました。これにより、振動だけでなく、蠕動運動なども実現することに成功しました。BZゲルは化学反応で駆動するため、電源などの外部動力を必要とせずに自律的に動くアクチュエータなどとして応用が期待されています。
The Belovsov-Zhabotinsky (BZ) reaction is a unique phenomenon known to cause the concentration of a chemical substance to oscillate in time and space. By combining this with a stimuli-responsive gel, it is possible to create a gel whose volume changes periodically. This is called the BZ gel. The volume change of the BZ gel was originally not large, but we discovered that the rate of change can be greatly improved by making the gel structure porous. Since the BZ gel is driven by a chemical reaction, it is expected to be used as an actuator that moves autonomously without requiring an external power source.
Periodical torsion of BZ gel
本研究では、BZゲルを利用して回転運動を取り出すアクチュエータを提案しました。BZゲルは内部の物質濃度の変化に依存して局所的に弾性率が変化します。そこで、BZゲルに事前にねじりを加えてプロペラを付けることで、周期的にプロペラが回転運動する系を作ることができます。実験と理論の両面から実証し、また変位を最大化する条件についても議論しました。
Herein we propose a periodical torsional motion hydrogel driven by chemical energy from the Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction. Our BZ gel system exhibits autonomous motion without a battery. The elastic moduli of the redox states of the BZ gel are investigated using stress–strain analysis. An experimental system, which integrates the BZ gel and two PDMS (dimethylpolysiloxane) rotators, is designed to evaluate torsion angles. The experimental pre-twist angle dependence of the rotary motion is compared with a theoretical rotation model. The results agree qualitatively. This study should contribute to the development of soft actuators without external components.
Artificial temperature-compensated biological clock
生物は体内時計、あるいは概日リズムと呼ばれる約１日周期のリズムを持っています。このリズムの起源についてはまだまだ分かっていないことも多いです。体内時計の興味深い性質の一つに、温度補償性と呼ばれる、環境の温度が変化してもリズムが一定に保たれる性質があります。生体活動は基本的に化学反応ですが、通常の化学反応は温度に対して著しい変化を示すことを考えると驚くべきことです。本研究では、この温度補償性がリズムを生成する反応場（細胞、または細胞内小器官、または細胞の集まり）の体積変化によって実現されているかもしれない、というアイデアを提案し、BZゲルを例にそのような機構があり得ることを実証しました。
（九州大学伊藤浩史准教授との共同研究）
The circadian rhythm is a fundamental physiological function for a wide range of organisms. The molecular machinery for generating rhythms has been elucidated over the last few decades. Nevertheless, the mechanism for temperature compensation of the oscillation period, which is a prominent property of the circadian rhythm, is still controversial. In this study, we propose a new mechanism through a chemically synthetic approach (i.e., we realized temperature compensation by the Belousov–Zhabotinsky (BZ) gels). The BZ gels are prepared by embedding a metal catalyst of the BZ reaction into the gel polymer. We made the body of BZ gels using a temperature-sensitive polymer gel, which enabled temperature compensation of the oscillation by using temperature dependence of volume. Moreover, we constructed a simple mathematical model for the BZ oscillation in temperature-sensitive gels. The model can reproduce temperature compensation of BZ gels, even though all reactions are temperature sensitive according to the Arrhenius rule. Our finding hints that a soft body coupling may be underlying temperature-compensated biological functions, including circadian rhythms.
(Collaboration with Prof. Hiroshi Ito, Kyushu Univ.)
Press release
https://www.titech.ac.jp/english/news/2023/065784
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