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Spontaneous pattern formation induced by Benard-Marangoni convection for sol-gel-derived metal oxide films: Effect of molecule design of precursor materials

Research Project

Project/Area Number 16H06054
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Research Field Inorganic industrial materials
Research InstitutionKansai University

Principal Investigator

UCHIYAMA HIROAKI  関西大学, 化学生命工学部, 准教授 (10551319)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2016: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
Keywords分子デザイン / 自己組織化 / ゾル―ゲル薄膜 / 酸化物 / ゾルーゲル薄膜
Outline of Final Research Achievements

We improved the spontaneous pattern formation induced by Benard-Marangoni convection triggered by solvent evaporation. Here, we attempted to control more precisely the pattern size by the molecule design of the precursor materials of sol-gel-derived ceramic films. Cell-like patterns of 1.0-1.5 μm in height and of ca. 20 μm in width were spontaneously formed on the surface of ceramic films prepared by sol-gel dip-coating process. We found that the size of the cell-like patterns induced by Benard-Marangoni convection increased with increasing molecule size of the precursor mateirals, which could be caused by the higher surface tension. Moreover, novel pattern formation was observed on ceramic films obtained from metal-acetylacetonate complexes, where dendrite patterns formed with decreasing substrate withdrawal speed. These results are beneficial for the development of novel self-organization triggered by solvent evaporation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、ゾル-ゲル法で作製される酸化物薄膜の表面においてべナール対流により自発的に発生する「セル状パターン」の「サイズ・形状・配列性」をより精密に制御することが可能となった。また、原料の分子構造デザインの導入により、新たな自己組織化現象が発現することを見出した。本手法により、「無機材料の高い屈折率、高い導電性、高強度」と「精密に制御されたパターン」を合わせ持つ薄膜材料を容易に作製することが可能となる。本手法は、「光学素子」「電子デバイス」「バイオ」などのナノスケールのパターニングが求められる様々な分野において、大きく貢献できると考えられる。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (25 results)

All 2019 2018 2017 2016 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Effect of the amount of H2O and HNO3 in Ti(OC3H7)4 solutions on the crystallization of sol-gel-derived TiO2 films2019

    • Author(s)
      Uchiyama Hiroaki、Bando Takahiro、Kozuka Hiromitsu
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: 669 Pages: 157-161

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2018.10.050

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      Ito Takashi、Uchiyama Hiroaki、Kozuka Hiromitsu
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 33 Issue: 21 Pages: 5314-5320

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.7b00823

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    • Author(s)
      H. Uchiyama, K. Isobe and H. Kozuka
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 7 Issue: 29 Pages: 18014-18018

    • DOI

      10.1039/c6ra26590a

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    • Author(s)
      H. Uchiyama, S. Igarashi and H. Kozuka
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 32 Issue: 13 Pages: 3116-3121

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.6b00377

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      内山 弘章、中村 佳樹、幸塚 広光
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      内山弘章、加藤将仁、幸塚広光
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    • Place of Presentation
      日本大学(東京)
    • Year and Date
      2017-03-17
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      内山弘章、田中優士、水口翔太、幸塚広光
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      日本ゾル-ゲル学会第15回討論会
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      H. Uchiyama, T. Matsui and H. Kozuka
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      19th International Sol-Gel conference
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  • [Presentation] 溶液プロセスによる無機材料のナノ・マイクロ構造制御2016

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      内山弘章
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      日本セラミックス協会関西支部第19回若手フォーラム
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      関西セミナーハウス修学院きらら山荘 (京都)
    • Year and Date
      2016-10-06
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    • Invited
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      五十嵐聖士郎、内山弘章、幸塚広光
    • Organizer
      日本セラミックス協会第29回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      広島大学 (広島)
    • Year and Date
      2016-09-07
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  • [Presentation] 超低速ディップコーティングによる金属塩水溶液からのWO3光電極薄膜の作製2016

    • Author(s)
      内山弘章、五十嵐聖士郎、伊藤峻、幸塚広光
    • Organizer
      日本セラミックス協会関西支部第11回学術講演会
    • Place of Presentation
      大阪大学中之島センター (大阪)
    • Year and Date
      2016-07-29
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      五十嵐聖士郎、内山弘章、幸塚広光
    • Organizer
      日本セラミックス協会関西支部第11回学術講演会
    • Place of Presentation
      大阪大学中之島センター (大阪)
    • Year and Date
      2016-07-29
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  • [Remarks] 関西大学 化学生命工学部 化学・物質工学科 セラミックス工学研究室ホームページ

    • URL

      http://www.kumse.kansai-u.ac.jp/LABHPFILE/ceramics/top.htm

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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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