image: Researchers at The University of Tokyo find a new type of formation of gels with less internal mechanical stress by controlling particle interactions, with implications for food preparation and our knowledge of intracellular gelation view more
Credit: Institute of Industrial Science, the University of Tokyo
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授（研究当時、現：名誉教授／シニア協力員）、鶴沢英世 博士研究員、大学院工学系研究科 物理工学専攻の荒井 俊人 講師の研究グループは、コロイド分散系のゲル化がどのような機構で起きるかを明らかにすべく研究を行った。相分離に誘発されたゲル化現象は、工業的な応用のみならず、細胞内の相分離に伴うゲル化がアルツハイマー病に代表されるさまざまな病気を引き起こす原因と考えられていることから、近年大きな注目を集めている。しかしながら、希薄な分散系で起きるゲル化の物理的な機構は未解明のままであった。
本研究グループは、相分離の初期からサンプルに乱れを与えることなく相分離を開始し、共焦点レーザ顕微鏡を用いて一粒子レベルで三次元観察することにより、希薄なコロイド分散系におけるゲル化の全過程を実時間で追跡することにはじめて成功した。
従来知られていたゲル化の機構では、コロイド粒子の運動が停止し固体化する前にネットワーク構造の形成（パーコレーション）が起こるため、ネットワークに縮もうとする力（収縮応力）が発生する。すなわち、「力学的に安定な構造ができるまでの時間」＞「パーコレーションまでの時間」が成り立つ。今回、希薄なコロイド分散系において、まず力学的に安定な構造が形成され、粒子の運動が停止した後にパーコレーションが起きることを発見した。すなわちこの場合、「力学的に安定な構造ができるまでの時間」＜「パーコレーションまでの時間」が成り立つ。このように、これら２種類のゲル化の選択は、二つの特徴的な時間の大小関係で決まるが、さらに、粒子間の相互作用が短距離の場合には、その大小関係がコロイドの体積分率のみで決定されることが明らかになった。このような粒子系のゲル化の普遍的な分類は、ソフトマター分野や生物学分野におけるゲル化の理解に大きく貢献するものと期待される。
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本成果は２０２０年１０月７日（米国東部夏時間）に「Science Advances」のオンライン速報版で公開された。
Journal
Science Advances