色付きハイドロゲルブロックで作られた新しいキューブは、情報を保存・検出する新たな方法を生み出すとともに、患者が自身の病状を監視する手助けにもなる可能性がある。
このキューブはルービックキューブのような外観と動作を持ち、回転可能な個々の行と列を備えている。それらを操作すると、キューブの6面の色のパターンが変化する。
しかし、ルービックキューブの硬質プラスチックとは異なり、この新しい構造体は自己修復性ハイドロゲルでできている。これは大量の水を吸収でき、古い化学結合が切れると新たな化学結合を形成できる、柔らかいポリマー材料である。
物理的なQRコードのような仕組み
研究チームは、物理的な物体に情報を符号化する新たな方法を見つけるという、より大きな取り組みの一環としてこの構造を考案した。
「考えてみてください。QRコードは、情報を保存するために二次元の表面上に白と黒のピクセルで描かれたパターンです」と、テキサス大学オースティン校の化学教授で、学術誌Advanced Materialsに掲載された論文の共著者でもあるジョナサン・セスラー氏は述べる。
「私たちは、色のパターンや三次元構造に情報を符号化する方法を研究しています。理論上は、はるかに高い情報密度につながる可能性があります。」
数学者らは、ルービックキューブには約43京通り、すなわち43に10の18乗を掛けた数の、固有の配置が存在すると推定している。このことから、一つのキューブに膨大な量の情報を保存できる可能性が示唆される。
「短時間では、小さなブロック同士の相互作用を操作できます」とセスラー氏は言う。「粘着性はありますが、ブロックが引っかかって動かなくなるわけではありません。その後、例えば24時間といった長い時間をかけると、構造が固定されます。」
ハイドロゲルブロックの組み替え
科学者らは、香港科技大学の化学者であるベン・ジョン・タン氏が発明した新しい種類の蛍光ドットを使用して、キューブを構成する27個の積み木ブロックに色を付けた。テキサス大学オースティン校の元博士研究員で、現在はタン氏の研究室に所属するシャオファン・ジ氏がこのプロジェクトを主導した。
自己修復性ハイドロゲルの一部が裂けた後、別の向きで再び結合すると、新しい配置を保持するための新たな化学結合が形成される。この新しい柔らかいルービックキューブを作る際の課題の一つは、人が手で列を簡単に回転させられるほど結合を弱くしつつ、構造全体がその形状を保てるほど強くすることであった。
研究者らがこの技術をデータ保存や、糖尿病患者の化学的変化を監視するウェアラブルセンサーなどの他の用途に応用するには、さらなる研究が必要となる。
過去からの再来
1980年代、セスラー氏は数学を用いて、ルービックキューブの色のパターンを制御された方法で並べ替えるために使用できる、異なる回転の系列を見つけ出した。十分な時間があれば、ばらばらになったキューブを、各面が単色である元の状態に戻すことができた。
「パーティーに行くと、誰かがルービックキューブを投げてよこすことがよくありました」とセスラー氏は言う。「私は隅に行って、社交的に許容される時間内に解いたものです。10分か20分程度でしたね。」
「さて、この新しいルービックキューブでは、分解して、ブロックを好きな場所に組み直すだけでいいのです。化学の力を使って不正をすれば、問題は数秒で解決できます。」
中国国家自然科学基金委員会、香港研究資助局、深圳市科技計画、創新科技署（中国）、米国国立科学財団、およびロバート・A・ウェルチ財団が本研究に資金を提供した。
