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Structure of water in hydrogels investigated by neutron diffraction

中性子回折法によるハイドロゲル中の水の構造評価

関根 由莉奈   ; Chi, S.*; Fernandez Baca, J.*; 深澤 倫子*; 深澤 裕

Sekine, Yurina; Chi, S.*; Fernandez Baca, J.*; Fukazawa, Tomoko*; Fukazawa, Hiroshi

ハイドロゲルはポリマーネットワークに多量の水を含む物質であり、生体材料として広く応用されている。ゲル中の水は通常の水とは異なり、自由水, 中間水, 束縛水の3種類に区別することができる。本研究では、ゲル中の水の性質や構造を明らかにすることを目的として、D$$_{2}$$O 90wt%含有ゲル及びD$$_{2}$$O 55wt%含有ゲルについて中性子回折パターンの測定及び示差走査熱量測定を行った。低含水率のゲルでは低温下においてアモルファス氷, 立方晶氷, 六方晶氷の回折パターンを観察した。一方、高含水率のゲルでは、六方晶氷の回折パターンのみを観察した。DSCの結果より、低含水率のゲルは中間水, 束縛水のみを含み、高含水率のゲルは自由水, 中間水, 束縛水の3種類の水を含むことが明らかとなった。これらの結果は、ゲル中に自由水がない場合、アモルファス氷, 立方晶氷が形成されることを示唆する。本研究成果はゲル材料の開発に重要な知見となる。

Hydrogels are unique polymer materials consisting of large amount of water in their three-dimensional networks. The structure of water is an important factor governing the chemical and physical properties of gel materials. To investigate structure and properties of water in poly-N,N,-dimethylacrylamide (PDMAA) gel, neutron diffraction and differential scanning calorimetry (DSC) curve of the high (90wt%) and low (55wt%) D$$_{2}$$O content gels were measured. The neutron diffraction patterns show that amorphous, cubic, and hexagonal ices exist in the low D$$_{2}$$O content gel at low temperature, whereas only hexagonal ice exists in the high D$$_{2}$$O content gel. The DSC result shows that the low D$$_{2}$$O content gel contains only intermediate and bound water. In contrast, high D$$_{2}$$O content gel contains free, intermediate, and bound water. Therefore the results indicate that amorphous and cubic ices are only formed when the hydrogels do not have the free water.

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