“Maze Solving by Chemotactic Droplets”
Lagzi, I.; Soh, S.; Wesson, P. J.; Browne, K. P.; Grzybowski, B. A. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1198. doi:10.1021/ja9076793
本日公開されたばかりの論文ですが、分野を問わず化学者の皆さん気になっているご様子。Twitter上でも、ちらほら話題として見られます。やはり普段見かけない奇抜な論文には目が留まってしまうものなんでしょう。せっかくですから、ここで取り上げてみましょう。
まずは百聞は一見にしかず。上の動画をご覧ください。
水溶液を満たした迷路に赤色の油滴を落とすと、自発的に動いてゴールにたどり着くという、驚きの様子が収められています。
良く見てもらえれば分かりますが、一度間違ったルートに入っても、いずれ正しいルートに戻ってきます。結果として油滴は、ほぼ最短ルートを進んで迷路を解きます。
この驚くべき現象、一体全体どんなカラクリになってるのでしょうか？
理解のキーポイントは、以下の二点になります。
- 迷路にpH勾配を付けてある
- pH勾配を表面張力の差に変換する仕組みを使って、油滴を動かしている
まず①ですが、迷路には水酸化カリウム水溶液(pH 12)が満たされています。そして出口には、塩酸(pH 1)を含むゲルが置かれます。
するとゲルからじわじわと塩酸が拡散し、以下の模式図で示すように、出口がもっとも酸性(低pH)、入口がもっともアルカリ性(高pH)の強い迷路が出来上がります(赤色が濃い部分ほどpHが低い)。入口～出口を結ぶ最短ルートだけが、凹凸の無い単調なpH勾配を持つことに注意してください。
続いて②ですが、実は油滴に仕掛けがしてあります。着色料に加えて、脂肪酸 (2-ヘキシルデカン酸, HDA)が溶かしてあります。
迷路上に油滴を落とすと、脂肪酸が水溶液に染みだしてきます。アルカリ性溶液では脱プロトン化を受け、イオン体となります。イオン体となった脂肪酸は、界面活性剤として働き、油滴周りの表面張力を低下させます。このため、溶液のpHが高いほど表面張力が低く、pHが低いほど表面張力が高くなる、という状況が油滴の周りで生じます。こうして、表面張力の高い方(＝pHの低い方)に引きずられる形で、油滴が動くことになります。
一流ジャーナルに載っている最先端研究ですが、根本原理自体は、実は小学生でも実感できるもの、という事実には全く驚きです。大発見の種は、まだまだそこら中に転がっているのでしょうね。
