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More Less | | Questions answered: 2 | Sample translations submitted: 1 Japanese to French: Qu'est ce que la science de l'interface souple ?
General field: Science | Source text - Japanese
19世紀は第一次産業革命に代表されるように鉄と鋼を代表とする金属系ハードマテリアルの時代であった。20世紀になるとStaudingerにより高分子という新しい材料の概念が提案されその本質が議論され始めた。20世紀後半になると高分子はさまざまな応用分野において伝統的な「硬い」材料(ハードマテリアル)を、プラスチックという形で置き換えていった。さらにこの高分子に代表される軟らかい素材(ソフトマテリアル)自体の機能性を生かした材料が、液晶デバイス、ゲル、有機電子デバイス、生体材料などといった形でさまざまな分野に展開されている。
このように、日常生活の中で高分子を用いた「ソフトマテリアル」が果たす役割は極めて重要になってきている。また最近では、生産から利用・リサイクルまでを含めた循環型社会において環境などへの負荷が少ない材料としても注目されている。
一方、無機材料であるシリコン系半導体も20世紀の後半に出現し、第2次産業革命(情報技術(IT))の基盤となっている。金属や無機材料といったハードマテリアルの場合、その構造と物性(物理的性質)がさまざまな解析手法と理論で系統的に解明されているのに対して、ソフトマテリアルについては系統的な研究と構造・物性解明が難しく、ようやく研究が本格的にスタートしたばかりである。これまで研究が遅れていた理由はその複雑な階層構造や動的特性の解明が遅れたためである。ソフトマテリアルの特徴は、まさに多彩な分子間の相互作用により形成される複雑な階層構造が、その階層構造に対応した動的な特性を示し、それにより特徴的な機能を示す点にある。
さて、材料の性質や機能は材料の中身もさることながら表面や界面の状態や性質にも大きく左右されている。ソフトマテリアルにより形成される表面と界面 (「ソフトインターフェース」)は身の周りの至る所に存在し、主として有機高分子で形成され、有限の厚みと、特徴的な動的特性を有している点が大きな特徴である。またソフトインターフェースそれ自身もさまざまな機能を担っている。これまでの研究でソフトマテリアル自身の濡れ、摩擦・摩耗、接着、電気物性、光学特性、生体適合性などの重要な機能特性がソフトインターフェースの構造と物性に大きく支配されていることが推測されている。
従って、ソフトインターフェースの特性を最大限に発揮させるためにはその構造と物性を意のままに操ることが必要不可欠である。しかしながら、それを生み出すのに必要な、その背景となる科学は十分解明されてなく、ソフトインターフェースの精密な構造制御と構造・物性の系統的な研究が強く望まれている。
自然界に見いだされるソフトインターフェースは、人工材料のソフトインターフェースに比べてさまざまな特徴的な挙動と優れた動的応答性を示す。例えば自然界の高機能性ソフトインターフェースとして(1)抗血栓性を有する血管表面のリン脂質膜、(2)股関節の潤滑表面、(3)超撥水(はっすい)性と自己清浄性を示すハスの葉表面、(4)表面エネルギーの勾配で水を集めることができる砂漠の甲虫の表皮、(5)ハエ取り草の刺激応答性表面、(6)イガイの接着性 (水中で接着する接着剤)、(7)漆樹液から作られる天然漆の美しい薄膜—などがあげられる。これらの表面と界面はユニークな特性を示すが、合成材料ではこれらを完全に再現することができていない。またその科学的解明ですら不十分である。
このような背景の中で私が研究総括を務めるプロジェクト(科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業「ERATO」)が昨年、スタートした。このプロジェクトは3つの方向からソフトインターフェースの特性解明を目指している。小林元康氏をグループリーダーとするチームは、自然の単なる模倣ではなく、新しいソフトインターフェースを創り出す分子設計に関する研究を進めている。
第2のチーム(渡邊宏臣グループリーダー)は、自然界にある特徴的なソフトインターフェースの表面階層構造の役割を明らかにし、高性能のソフトインターフェースを創り出す階層構造制御手法の確立を狙う。3番目のチームは、表面での分子の運動、摩擦・接着などの仕組みを散乱・分光学的な手法で解析するとともに、大型放射光施設「SPring-8」の放射光や大強度陽子加速器「J-PARC」の中性子を利用してソフトマテリアル界面で起きている動的な動きを分子レベルで解明する手法を開発し、ソフトインターフェースで生じている現象、機構を明らかにすることを目指している。
ソフトインターフェースに関する基礎的な研究は緒に就いたばかりである。このプロジェクトの目的は、学術的、工学的に重要なソフトマテリアルの表面と界面であるソフトインターフェースの本質を明らかにするための科学的基盤を創ることである。また世界最高性能の大型実験施設であるJ-PARCや SPring-8を利用した装置や、他の独自の装置を試作することにより、新しいソフトインターフェースの構造と物性の関係が明らかにされ、この分野の研究が急速に展開すると考えられる。
さらに、工学的な観点からは、10-15年後にこれらの研究成果を「有機溶媒を用いない環境に優しい水潤滑システム」「さまざまな環境下でも汚れや微生物が付着しない表面の創製」「意図する摩擦特性を持たせることができるナノコーティング技術」「自己潤滑性ガイドワイヤーを用いた冠動脈形成術(ステント治療技術)」「水中でも使える天然物起源接着剤の開発」「日本漆などの伝統工芸へ最新のナノテク手法導入」のような環境負荷の少ない、安心・安全な社会を実現するための新しい技術へと応用できるものと考えられる。
以上のように、学際的な研究により、「ソフトインターフェースの材料科学」という新しい学問分野が確立され、応用面では医用材料、電子材料、自動車材料、マイクロ/ナノマシン、表面材料科学、伝統工芸などのさまざまな分野にも寄与できると確信している。 | Translation - French
Le XIXe siècle fut l'époque des matériaux durs, à base de métaux comme le fer et l'acier; ils représentent la première révolution industrielle. Au XXe siècle Staudinger propose le concept d'un nouveau matériau, la macromolécule; commence alors les discussions sur son essence. Dans la deuxième moitié du XXe siècle la macromolécule remplace peu à peu les matériaux «durs » traditionnels dans quasiment tous les domaines d'applications sous forme notamment de plastiques. Les matériaux non rigides qui profitent des fonctionnalités de cette macromolécule pour sa souplesse se développent dans différents champs d'applications: sous les formes des dispositifs à cristaux liquides, de gels, de biomatériaux, de composants organiques électroniques, etc.
Aujourd'hui, le rôle des «matériaux mous » utilisant les macromolécules est extrêmement important dans notre vie quotidienne; et ils attirent l'attention ce temps-ci quand à leur peu d'impacts sur l'environnement vis à vis de la production, de la consommation et du recyclage dans la société.
D'autre part, la seconde révolution industrielle se base aussi sur les semi-conducteurs composés de silicium, matière inorganique, qui est apparu dans la deuxième moitié du XXe siècle, et à qui l'on doit toutes les techniques informatiques. Pour les matériaux durs comme les métaux ou la matière inorganique, on a systématiquement élucidé leur structures et propriétés physiques au moyen de théories et grâce aux différentes techniques analytiques. Tandis que pour les matériaux mous une étude systématique est rendue difficile pour élucider leurs structures et leurs propriétés physiques; finalement, on vient seulement de commencer une étude systémique. Les raisons pour lesquelles un telle étude a été retardée proviennent du fait que cela a pris du temps pour pouvoir élucider les structures hiérarchiques complexes et leurs propriétés dynamiques. La caractéristique principale des matériaux mous est que la structure hiérarchique complexe est formées par des interactions de toutes sortes entre les molécules le composant, ce qui donne une propriété dynamique correspondant à la structure hiérarchique même, et fournit une fonction, une caractéristique, unique à celui-ci.
Les propriétés et fonctions des matériaux dépendent énormément de la condition et de la propriété de la surface, de son interface, ainsi que du contenu des matériaux. L'interface formée par la surface des matériaux mous existe partout autour ne de nous, elles sont caractérisées par le fait qu'elles sont formées principalement par des macromolécules organiques sur une épaisseur limitée ayant des propriétés dynamiques. Les études réalisées jusqu'à présent supposent que cette interface souple a aussi elle même différentes fonctions. Ces propriétés fonctionnelles importantes, tel les capacités de mouillage, le frottement et l'abrasion, l'adhésion, les propriétés électriques, optiques et la biocompatibilité, sont fortement dominées par la structure et les propriétés de cette interface souple.
Par conséquent, afin d'optimiser les propriétés des interfaces souples, il est indispensable de pouvoir manipuler à notre guise leurs structures et donc leurs propriétés physiques. Néanmoins, la science dans son avancée n'a pas encore permis de réaliser cela; et il est fortement souhaitable que des études systématiques soient faites sur les structures et les propriétés physiques pour un contrôle minutieux de la structure de l'interface souple.
Les interfaces souples découvertes dans la nature montrent dans leur comportement des caractéristiques et des réponses dynamiques excellentes par rapport à celles créées en matières artificielles. Ces interfaces souples naturelles de haute fonctionnalité sont, par exemple, (1) les membranes des phospholipide à la surface des vaisseaux sanguins assurant l'antithrombogénicité, (2) les surfaces lubrifiantes des hanches, (3) la surface de la feuille de lotus montrant une grande hydrophobicité et de nature autonettoyante, (4) la cuticule de certains coléoptères dans le désert, qui sont capables de capter l'eau de l'air grâce au gradient de l'énergie de surface de leurs ailes, (5) la surface répondant aux stimulations de la dionée attrape-mouche, (6) l'adhésivité du pied des moules (l'adhésif qui colle dans l'eau), (7) la belle et fine membrane de la laque naturelle crée par la sève du toxicodendron vernicifluum, ou arbre à laque. Ces surfaces et interfaces montrent des propriétés uniques qu'il est impossible de reproduire parfaitement avec les matières synthétiques ; car à ce jour, les connaissances scientifiques pour y parvenir sont encore insuffisantes.
Avec pour cet arrière plan, le projet «ERATO » (Exploratory Research for Advanced Technology ou Recherche Exploratoire pour Technologie Avancée, de la Japanese Science and Technology Agency), dont je suis le principal Directeur de recherche, a démarré l'année dernière. Ce projet a pour objet d'étudier les propriétés des interfaces dans trois directions. Une première équipe, sous la Direction de M. Motoyasu KOBAYASHI, poursuit les recherches concernant le dessin moléculaire qui produira de nouvelles interfaces souples plutôt que de copier simplement celles de la nature.
La deuxième équipe, sous la Direction de M. Hiroomi WATANABE, vise à élucider le rôle de la structure hiérarchique de surface de l'interface souple qui est caractéristique dans la nature, et à établir un moyen de contrôler cette structure hiérarchie afin de créer des interfaces souples artificielles de hautes qualités. La troisième équipe vise à analyser les mécanismes en jeux des molécules sur les surfaces; tel que le mouvement, le frottement et l'adhésion, par une technique dispersive et spectrographique. Cette équipe cherche à développer une technique pour tenter d'élucider, au niveau de molécule, le mouvement dynamique qui intervient sur l'interface de matière souple, en utilisant le rayonnement synchrotron du «SPring-8 », le grand établissement Synchrotron de troisième génération, ou l'accélérateur de proton à haute intensité du «J-PARC », afin de mettre au claire les phénomènes et mécanismes interagissant sur la surface.
La recherche de base concernant ces interfaces vient de commencer. Le projet a pour objet d'établir des bases scientifique afin d'élucider la nature de l'interface souple, surfaces qui sont très importantes au niveau des sciences et des technologies. Il est prévisible que la relation entre la structure et la propriété physique de nouvelles interfaces souples sera mis au clair que si l'on dispose d'un moyen de recherche approprié, soit en utilisant le J-PARC, ou le Spring-8, les plus grands et efficaces établissements de recherches disponibles dans le monde, ou un autre dispositif propre au projet, afin de développer rapidement la recherche dans ce domaine.
Les applications technologiques de ces recherches sont prévues pour dans les dix ou quinze prochaines années. Applications qui devraient amener plus de sécurité à nos sociétés vis à vis de l'environnement; des applications telles que «des systèmes de lubrification écologiques, sans solvants organiques car utilisant l'eau », «des surfaces résistantes aux salissures et aux microbes dans différents milieux », «des techniques de nano enrobages aux propriétés de frottements des enrobages parfaitement contrôlées », «une technique pour l'angioplastie coronaire (par traitement à l'aide de stent) à l'aide d'un fil de guide auto-lubrifié », «développer des adhésifs d'origine naturelle utilisables dans l'eau », et «introduire la nano technologie dans les arts traditionnels, tel que la laque Japonaise ».
La recherche interdisciplinaire a établi un nouveau domaine scientifique, «la science des matières de l'interface souple ». Nous sommes certains que cela contribuera aux applications dans différents domaines tels que le matériel et matériaux médicaux, les matériaux électronique, les matériaux pour l'automobile, les micro/nano machines, la science des surfaces et les arts traditionnels. |
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