慶應義塾大学理工学部応用化学科 有機物質化学研究室
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運動するソフトマター
通常，界面活性剤（例えばセッケン）水溶液中に油成分を加えると，油滴は容易に溶解します。しかし，ある特定の分子構造を有する油成分と界面活性剤の組み合わせでは，マイクロメートルサイズ（１マイクロメートルは0.000001メートル）の油滴は溶解せずに，むしろ水中を自発的に泳ぐ（自己駆動する）ことを見出しました。そのときの油滴の内外ではある特徴的な流れ場が形成されていることが最近になって分かってきましたが，そのメカニズムの詳細は未だ明らかにされていません。現在は，分子の性質に基づいた視点からそれを明らかにする研究とともに，pH変化や光照射といった外部刺激に応答する刺激応答性の低分子化合物，高分子化合物を用いて油滴運動の精密な制御を目指して研究を進めています。このような取り組みは，電場や磁場などの強力な外場を必要としない，省エネルギー型の運搬体としての応用を目指しています。
私達はこれまでに，反応性の界面活性剤を用いたり，油成分を２種類用いてそれらが反応するような条件にしたりすることで，油滴が自己駆動するだけでなく，分裂，融合，一方向の駆動，集団化現象といった生命にみられる特徴的なダイナミクスが現れることを見出してきました。
例えば，分裂する油滴は，ベンズアルデヒド誘導体（油成分）を，塩酸を含んだ反応性の界面活性剤水溶液中に分散させると観測することができます。これのメカニズムは，以下のように推定されています（下の図参照）。
①界面活性剤が水相中で加水分解されることでベンズアルデヒド誘導体が生成する
②油滴（親油滴）が自己駆動しながらバルク水相からそれを取り込むことで，内部に新たな油滴（娘油滴）が生じ，徐々に肥大する
③娘油滴が自己駆動ができるようになるまで成長すると，親油滴の殻を破って出てくる
このような，外部から化学物質を取り込んで，内部で何かしらの反応（この場合は娘油滴の肥大化）が進行し，動的な挙動が現れる，という一連のダイナミクスは，まさに細胞（生命システム）が行っている新陳代謝に類似しています。この点から，自己駆動する油滴は生命にみられるダイナミクスのモデルとしても注目されています。水，油，界面活性剤という比較的単純な分子群により様々な油滴の運動が実現できることから，このような油滴が生命起源の初期にみられたダイナミクスのモデルとして議論が出来るようになるかもしれません。
代表的な論文
・T. Kojima, H. Kitahata, K. Asakura, T. Banno, “Photoinduced collective motion of oil droplets and concurrent pattern formation in surfactant solution”, Cell Rep. Phys. Sci., 4, 101222 (2023).
・M. Kaburagi, T. Kojima, K. Asakura, T. Banno, “pH-Sensitive controlled motion of micrometer-sized oil droplets in a solution of surfactants containing fumaric acid derivatives”, J. Oleo Sci., 59, 1319-1326 (2022).
・S. Nakayama, T. Kojima, M. Kaburagi, T. Kikuchi, K. Asakura, T. Banno, “Chemotaxis of oil droplets and their phase transition to aggregates with membrane structures in surfactant solution containing metal salts”, ChemSystemsChem, 4, e202100035 (2022).
・Y. Kasuo, H. Kitahata, Y. Koyano, M. Takinoue, K. Asakura, T. Banno, “Start of micrometer-sized oil droplet motion through generation of surfactants”, Langmuir, 35, 13351-13355 (2019).
・A. Hirono, T. Toyota, K. Asakura, T. Banno, “Locomotion mode of micrometer-sized oil droplets in solutions of cationic surfactants having ester or ether linkages”, Langmuir, 34, 7821-7826 (2018).
・S. Kaneko, K. Asakura, T. Banno, “Phototactic behavior of self-propelled micrometer-sized oil droplets in a surfactant solution”, Chem. Commun., 53, 2237-2240 (2017).
・T. Banno, A. Asami, N. Ueno, H. Kitahata, Y. Koyano, K. Asakura, T. Toyota, “Deformable self-propelled micro-objects comprising underwater oil droplets”, Sci. Rep., 6, 31292 (2016).
・T. Banno, T. Toyota, “Molecular system for the division of self-propelled oil droplets by component feeding”, Langmuir, 31, 6943-6947 (2015).
