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、DO 90wt%含有ゲル及びDO 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%) DO content gels were measured. The neutron diffraction patterns show that amorphous, cubic, and hexagonal ices exist in the low DO content gel at low temperature, whereas only hexagonal ice exists in the high DO content gel. The DSC result shows that the low DO content gel contains only intermediate and bound water. In contrast, high DO 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.