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Jun 05, 2023

化学のカメレオン: 自己

フロリダ州立大学著、2023年7月6日 フロリダ州立大学の化学教授であるオリバー・スタインボックの研究室で作られたケミカルガーデンの例。 クレジット: フロリダ州の提供

フロリダ州立大学2023年7月6日

フロリダ州立大学の化学教授であるオリバー・スタインボックの研究室で作られたケミカルガーデンの例。 クレジット: フロリダ州立大学の提供

Florida State UniversityFlorida State University (Florida State or FSU) is a public space-grant and sea-grant research university in Tallahassee, Florida, United States that was established in 1851. The university comprises 16 separate colleges and more than 110 centers, facilities, labs, and institutes that offer more than 360 programs of study, including professional school programs." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">フロリダ州立大学の科学者は、化学庭園の成長、パターン形成、自己修復特性を説明する数学モデルを開発しました。 これらの洞察は、自己修復材料の開発につながる可能性があります。

1600 年代半ば以来、化学者たちは、小さな瓶の中で金属塩を混合することによって形成される、鮮やかな色のサンゴのような構造に魅了されてきました。

これまで研究者らは、ケミカルガーデンと呼ばれる一見単純な管状構造がどのように機能するのか、またその形成を支配するパターンや規則をモデル化することができなかった。

今週全米科学アカデミー紀要に掲載された論文の中で、フロリダ州立大学の研究者らは、これらの構造がどのように上向きに成長し、さまざまな形状を形成し、どのようにして柔軟な自己修復材料から組織へと変化するのかを説明するモデルを提示しています。もっと脆いもの。

“In a materials context, it’s very interesting,” said FSU Professor of Chemistry and Biochemistry Oliver Steinbock. “They don’t grow like crystals. A crystal has nice sharp corners and grows atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">原子層ごとに。 そして、ケミカルガーデンに穴が開いても、それは自己修復されます。 これらは、自己再構成および修復が可能な材料の作り方を学ぶための本当に初期のステップです。」

通常、金属塩粒子をケイ酸塩溶液に入れるとケミカルガーデンが形成されます。 溶解した塩が溶液と反応して半透膜を形成し、溶液内で上方に放出され、サンゴに似た生物学的に見える構造が形成されます。

科学者たちは 1646 年に初めて化学庭園を観察し、長年にわたってその興味深い形成に魅了されてきました。 この化学は、熱水噴出孔の形成と、不溶性の管が形成される可能性がある鋼表面の腐食に関連しています。

「人々はこれらが奇妙なものであることに気づきました」とスタインボック氏は語った。 「彼らは化学において非常に長い歴史を持っています。 実証実験っぽくなってきましたが、ここ10～20年で科学者たちが再び興味を持つようになりました。」

スタインボックが博士研究員のブルーノ・バティスタと大学院生のアマリ・モリスとともに開発した数学モデルのインスピレーションは、2 枚の水平プレートの間にある大量のケイ酸塩溶液に食塩水を着実に注入する実験から生まれました。 これらは、明確な成長モードを示し、材料は最初は伸縮性がありますが、時間が経つにつれて材料がより硬くなり、破損する傾向があることがわかりました。

2 つの層の間に閉じ込めることにより、研究者らは、花、髪の毛、らせん、虫のように見えるものなど、さまざまな形状パターンをシミュレートすることができました。

研究者らはモデルの中で、化学園の発展の過程でこれらのパターンがどのように現れるかを説明した。 塩水の化学組成は大きく異なりますが、そのモデルは形成の普遍性を説明しています。

たとえば、パターンは、ばらばらの粒子、折り畳まれた膜、または自己拡張フィラメントで構成されます。 このモデルはまた、新鮮な膜が微小な破れに反応して膨張するという観察結果を検証し、材料の自己修復能力を実証しました。