大阪工業大學的研究團隊成功開發出了一種吸水膨脹，能像「舉重」一樣撐起放置在上方重物的立方體聚合體凝膠粒子。吸水性材料已經在一次性紙尿褲等領域實用化，但非球形的粒子種類較少，製造工序也較繁瑣。此次開發的凝膠的特點是，僅需用塑膠板圍住液體即可製備。由於該材料無需電力即可抬起重物，研究團隊表示其「實現了環境友好型的動力獲取」。
乾燥狀態的凝膠體粒子子遇水後膨脹，利用膨脹力實現「舉重」（供圖：大阪工業大學）
大阪工業大學工學部應用化學科的藤井秀司教授（界面膠體化學、巨分子化學）一直從事內部封裝液體的球形「液體彈珠」研究。液體彈珠是由微小固體粒子包裹內部液體形成的結構，可用作聚合體凝膠合成的「反應容器」。
聚合體凝膠粒子受表面張力作用，通常呈球形，易於滾動。在微觀世界中觀察它時，可見聚合物呈網狀連接結構，其中網路間隙可捕獲水分子或油分子。
非球形凝膠因其在介質中的運動、變形及聚集行為具有獨特性，且能展現出球形凝膠不具備的功能，因而受到關注。特別是活用其表面積大和各向異性相互作用等特性，有望在醫療、機器人學、超小型機械等各類領域發揮作用。
研究團隊聚焦於高親水性的聚乙二醇-聚甘油系單體。他們將數微升聚乙二醇-聚甘油系單體夾在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）板之間時，發現單體會貼合PET板的形狀，可自由變為圓形、方形等多種形態。聚合完成後剝離板材，即可獲得與單體形狀一致的聚合物粒子。
柏拉圖多面體凝膠體粒子子。大小為1～2毫米，吸水後保持原有形狀膨脹，不會變形（供圖：藤井秀司教授）
研究團隊通過調控板材的形狀、數量以及單體的體積，最終成功製備出了正四面體等擁有柏拉圖多面體形狀且結構穩定的液體彈珠。進一步對該液體彈珠內部的單體進行聚合，從而合成出了與液體彈珠形狀一致的柏拉圖多面體聚合物粒子。
向柏拉圖多面體粒子滴加水後，聚合物吸水膨脹，轉化為凝膠體粒子子。將4個製備成立方體形狀的乾燥狀態的凝膠體粒子子排列成正方形，在其上放置總質量約10克的玻璃板和重物。加水後，粒子沿高度方向膨脹至原高度的約1.6倍，重物對抗重力被抬起。
一般而言，抬升物體需要使用電力或磁力驅動，而採用本次開發的物質，僅需加水即可實現抬升。藤井教授表示：「通過製成立方體結構，粒子與地面更容易產生摩擦力，因而不易移動，位置穩定性得到提升，這是球形凝膠體粒子子不具備的優勢。」未來，除純水外，研究團隊還計劃開發可在酸性、鹼性溶液等物質中膨脹的凝膠，並持續進行改良，使其能夠應用於各種用途。
本研究得到了日本學術振興會科學研究費資助項目以及阪本藥品工業株式會社（大阪市）的贊助。阪本藥品工業還提供了材料單體。相關研究成果已發表在美國化學會期刊《Langmuir》電子版的3月7日刊上，大阪工業大學於3月12日公佈了該成果。
日文：JST Science Portal 編輯部
中文：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Langmuir
論文：Solvent-Free Synthesis of Shape-Programmable Hydrogel Particles Using Polyhedral Liquid Marbles
DOI：10.1021/acs.langmuir.5c06259
