目視では、振動が界面の外縁から始まるように見える。従って外縁に接する装置の材質が振動に影響する可能性を考え、材質を変更してみた。従来の硝子(親水性で、界面が曲がる)とテフロン(界面は真っ直ぐ)で比較すると、振動の安定性が大きく変化し、振動の持続時間が、硝子の40分程度から、テフロンでは4時間程度と著しく延伸・安定化した(図2)。このことから、界面の外縁部が振動の発生に重要な役割を果たしていることを明らかにした。以降の測定は安定性の高いテフロンの装置で行う。

　テフロンでの安定化により、従来見いだされなかった異なる種類の振動を観測した。振動開始当初(第1期と呼ぶ)は鋭いパルス、40分後以降(第2期と呼ぶ)は鋸様のジグザグ振動、の2つに大別される振動モードが観測される(図3)。第1期から第2期への変化は連続的に起こり、第1期パルスが衰退→第2期ジグザグ振動が出現→第2期ジグザグ振動は大きく成長、の順で進行する。従って、振幅の時間変化には、モードの境界点としての分岐が出現する(図4)。

図2:材質による振動の変化(a)ガラス、(b)テフロン

図3:観測される振動モード(a)第1期、(b)第2期

図4:振幅の時間変化(矢印は分岐の位置)

　振動の発生に界面の外縁部が影響することから、界面の形状によって振動の発生を制御することが出来ると考え、さまざまに界面形状の異なる系で測定を試みた。

　界面を縮小したり、界面に特異点を設ける(境界材質に傷を付ける)と、周波数が大きく振幅の小さい振動が観測される。とりわけ、特異点を設けた系に於いては、24時間(通常の場合の6倍)以上に亘り安定して持続することが判った(図5)。

図5:界面に特異点がある場合の振動

　この系ではモード毎にH⁺の移動が変化し、第1期にはW2相(試料相)に、第2期にはW1相(界面活性剤相)にH⁺が流入すること、また、W2相を撤去したW1/NBの2相系で測定を試みたが、振動は起こらず、W1へのH⁺の移動が遅くなることが同じ研究室の須藤の研究により判っている。

　即ち、W2相は水素イオンの解離を制御すると考えられる。そこで、W2相のpHを変えてみると、pHにより各モードの発現しやすさが変化し、モード分岐の位置はpHに依存して変化する(図6)ことが判った。従って分岐の位置はpH情報を与えることが明らかになった。pH以外にも全く新しい手法としてこの分岐を指標とした試料情報の数値化が可能であると考えている。

図6:分岐(振幅の時間変化)のpH依存性

　以上の結果より、H⁺の界面間移動が振動を制御することが確認された。そこで、イオンチャンネルと同様に、界面部分へのイオンの脱着がH⁺の移動を制御し振動を引き起こすという振動機構を提案し、コンピュータでシミュレートした。予想したW1/NB界面の振動機構は以下の通り。

　(1)界面にCTAが吸着し吸着相を形成。H⁺の移動は極小に、従ってW1相の電位低下。

　(2)そこでH⁺が移動しやすくなり、NB相の電位が下降し、CTAの吸着相からの拡散が促進。CTA吸着相が弱まり、H⁺の移動は最大に、結果、W1電位は最高に到達。

　(3)電位の上昇によりH⁺は移動しにくくなり、また破損した吸着相を補充するべく、CTAの界面への流入が開始。

　(4)結果、水相電位は低下、元に戻る。

　以上(1)-(4)を繰りかえすというものである。

　この機構に従うよう、物質移動方程式を立てて計算を行ったところ、条件によって電位が振動する場合が見いだされた(図7)。この計算では、界面が破損する限界値(閾値)を仮定しておらず、膜電位とイオン量のみにより自発的な振動が生成できることが判った。この機構は神経膜応答の場合によく類似している。

　また、各相のpH変化測定によると、NB相のピクリン酸の解離は、第1期にはW2相、第2期はW1で起こっているが、CTAの界面吸着が物質移動を妨害すると考えて計算を行ったところ、実験結果によく似た結果を得た(図8)。この機構で実験結果を説明できる。初期にはCTA吸着相の妨害のないW2相で、時間が経つと吸着相の妨害が緩和されたW1相で解離が起こると推測される。

図7:振動のシミュレート結果

図8:水素イオン濃度のシミュレート結果

　振動発生の場であるW1/NB界面を複数設けることで、パルスの相互関与を測定した。結果、界面間でパルスが伝達することを観測した(図9)。

図9:電位パルスの伝達(矢印は伝達、*は伝わらず)

　ビデオ観察の結果及び、界面間距離を変えて行った測定結果から、物質の物理的な流れが振動を伝達させていることが判った。これは神経細胞間のアセチルコリンによる信号伝達に極めて類似している。今後、応用として生体の神経伝達を再現する「人工神経系」の構築が期待される。