Letter 材料：化学–機械–化学的自己調節機能を持つ合成ホメオスタティック材料 2012年7月12日 Nature 487, 7406 doi: 10.1038/nature11223 生物は独自のホメオスタシス（恒常性）維持能力を持っており、化学的エネルギーと機械的エネルギーの相互変換と、多くの長さスケールにわたって階層的に組織化された自己調節フィードバック・ループを通して、その局所環境を持続的に厳密に調節している。これに対して、ほとんどの合成材料は、連続的自己モニタリング・自己調節挙動ができないが、それは一方向性の化学機械的または機械化学的モードに制限があるためである。ホメオスタシスという概念を自律材料の設計に適用することで、身体機能の安定化に役立つ医療用インプラントからエネルギー利用を調節する「スマート」材料まで、さまざまな分野に大きな影響が及ぶだろう。本論文では、ナノまたはマイクロスケールで化学–機械–化学的フィードバック・ループを精密に調整する能力のある自己調節・自己動力供給型ホメオスタティック材料を作製する汎用的方法を提示する。まず、ヒドロゲルに担持された触媒付き微細構造体を備えた2層系を設計した。この微細構造体は、反応物を含む「栄養（nutrient）」層から隔てられている。刺激に応答するゲル形状の変化によって、微細構造体が栄養層の内外へ可逆的に移動して、化学反応に対する非常に精密な「オン/オフ」スイッチとなる。我々はこの設計を適用して、微細構造体の動きと外部の化学的駆動刺激に同期した可逆的かつ繰り返し可能な有機、無機、生化学反応サイクルを起こさせた。次に、栄養層における各種発熱触媒反応間の連続的フィードバック・ループと、温度応答性ゲルの機械的作用を使って、ユーザーが定義したパラメーター（温度）を狭い範囲で維持する典型的な自律的自己維持ホメオスタティック系を作製した。この実験結果は、自己調節挙動の基本的特徴を定性的にとらえるコンピューター・モデルを用いて正しいことが確認されており、ホメオスタティック機能を最適化する追加的基準が得られた。この基準については、次の実験によって裏付けられている。この設計は、化学反応の選択幅が広いこと、調整可能な機械的特性、物理的単純さゆえに高度にカスタマイズ可能であり、化学–機械–化学変換を中核とする自律系におけるさまざまな応用につながるかもしれない。 Full Text PDF 目次へ戻る
