ヨシダ効果とはゲルの摩擦場で穿刺中間体（ペネトロン）が形成される現象
微細針状物質と細菌から成るコロイド溶液をハイドロゲル表面に広げ、界面形成物質を接触させて滑り摩擦を発生させると、細菌細胞と微細針状物質は衝突し、穿刺中間体（ペネトロン）呼ばれる複合体が形成される。このペネトロンが 形成される現象は発見者の名前にちなんで「ヨシダ効果」と命名された。発生させる滑り摩擦については、摩擦係数が急激に増大し、10-15秒以内にプラトーに達することが必須である。ハイドロゲルは破断強度2.1N以上を有することが必要で、アガロース、ジェランガム、κーカラギーナンでペネトロンの形成が確認されている。ハイドロゲルとの界面形成物質としては、ポリスチレン、ポリエチレン、アクリルニトリルブタンジエンゴム、ラテックスゴムといった 高分子化合物、また石英、翡翠（ヒスイ）輝石といった不活性で滑らかな表面を有するケイ酸塩鉱物が挙げられる。微細針状物質としては直径が10~50 nmであることが必要で、多層カーボンナノチューブ、キチンナノウィスカー、マグヘマイト（γ-Fe2O3）あるいはクリソタイルおよびα-セピオライトといった微細針状粘土鉱物でヨシダ効果が確認されている。
細菌細胞と微細針状物質から成るコロイド溶液をハイドロゲルと界面形成材料との界面に接地させ、すべり摩擦刺激を付与する。このときの摩擦力Fは
F=µW
で表される。Wは垂直抗力(gf/cm2)、µは摩擦係数である。摩擦力を増大させるには、垂直抗力を大きくするか、摩擦係数µを増大させるか、あるいはそ両方を増大させればよい。ヨシダ効果を引き起こすには摩擦係数の増大が必須で、摩擦係数が極大に達すると、細菌細胞と微細針状物質を衝突させる力が生まれる。この力はどのようなものかはわからない。未知の力は摩擦係数µの増大に関係しているだろう。ペネトロンの形成を引き起こす未知の力は摩擦係数の増大ではなく、摩擦係数の増大速度に関係している。したがって未知の力は、ハイドロゲル表面に存在する水分子層のハイドロゲルへの浸透速度に依存すると考えられる。以上のことを元にするとすべり摩擦場における未知の力F’を次式のように表すことができる。
F’=(V0-Vs)Ws-2
sはすべり摩擦の付与時間(second),V0は摩擦刺激を与える前のハイドロゲル表面に存在する水分子層(ml),Vsは摩擦場を発生させたs秒後におけるハイドルゲル表面に残存する水分子層(ml)である。Wは界面形成材料に付与される垂直抗力(gf/cm2)である。細菌細胞と微細針状物質を取り囲む水分子が急激に消失した時に、未知の力が生まれる。
What is the Yoshida effect?
The Yoshida effect is defined as the formation of complexes called penetrons, which are bacterial cells, each impaled by a single nano-sized acicular material in a friction field formed at a hydrogel interface. The hydrogel, interface forming material, nano-sized acicular material, bacterial cells, sliding friction, and an energy source to provide the friction force are each essential to the formation of penetrons. The hydrogel (e. g., agar, gellan gum, kappa-karagenan) involved shear stress at more than 2.1N. The interface forming material could comprise polymer material such as polystyrene, polyethylene, or acrylonitrile butanediene rubber. The optical vertical reaction force against hydrogel was around 40 gf/cm2. Multi-walled carbon nanotube, chitin nanowhisker, maghemite(γ-Fe2O), or alpha-sepiolite are each nano-sized acicular materials that can generate Yoshida effect.
A colloidal suspension of bacterial cells and nano-acicular material is placed in the interface between the hydrogel and the interface-forming material, and a sliding friction stimulus is applied. If W is the normal force (gf/cm2) and µ is the coefficient of friction, the frictional force F may be expressed as
F=µW
The frictional force may be increased by increasing the normal force W, the coefficient of friction µ, or both. A large coefficient of friction is needed for the Yoshida effect to occur, and when the coefficient of friction reaches its maximum, some unknown force is produced that causes the bacterial cells and the nano-acicular material to collide. The nature of this force, which gives rise to the formation of penetrons, is unclear. It is related not simply to the increase in the coefficient of friction, but rather to the rate of increase. It therefore appears that the unknown force depends on the rate at which the layer of water molecules present on the surface of the hydrogel permeates into the hydrogel. From this, the unknown force F’ in the sliding friction field may be expressed as
F’=(V0-Vs)Ws-2
where s is the time of application of the sliding friction (s), V0 is the amount of water (ml) in the water molecule layer prior to application of the friction stimulus, Vs is the amount of water (ml) remaining in the water molecule layer after the friction field has been generated for s seconds, and W is the normal force (gf/cm2) applied to the interface-forming material. The unknown force is generated when the water molecules surrounding the bacterial cells and nano-acicular material disappear rapidly.
