Elucidating nonlinear dynamics of nanometer-scale fluids with microscopic experimental study

• Project/Area Number: 17K05064
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: Osaka Electro-Communication University
• Principal Investigator: Kageshima Masami 大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (90251355)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 非線形性 / 原子間力顕微鏡 / 生体適合性高分子 / 粘弾性 / シア / 臨界状態 / 相分離 / 非線形応答 / 臨界2成分系 / 臨界カシミール効果 / 相関長 / 非ニュートン流体 / 緩和時間 / ニュートン流体 / 流体 / 走査プローブ顕微鏡 / 摩擦

Outline of Final Research Achievements

Nonlinear behavior of nano-confined fluid was experimentally analyzed from a microscopic viewpoint. Atomic force microscopy (AFM) specially tuned for shear viscoelasticity analysis was utilized. Bio-compatible polymer MPC noted for its characteristic lubricity in a hydrated state was constrained between two hydrophilic surfaces to analyze its shear viscoelasticity while the shear amplitude was swept from nanometer to subnanometer level. It was found that the viscous property was classified into drastically contrasting regimes depending on the amplitude range. This remarkable behavior was interpreted from the roles played by polymers and water molecules during the sliding motion. In addition, characteristic complex mechanical interaction between two surfaces placed in near-critical binary mixture was detected using the similar viscoelasticity analysis technique based on AFM.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

人工関節などの潤滑剤としての応用が期待される生体適合性高分子の水和状態でのシア特性を計測し、水と高分子が複雑に表面と作用して、非線形性に結びつく特徴的な摩擦・潤滑特性を生じることを実験的に示した。これによって、非線形性の起源について分子レベルの洞察を与えることができるとともに、応用上重要な狭い空間内の流体の摩擦・潤滑特性が、バルク流体のそれとは異なる特徴的なものであることを示した。また、臨界２成分系中での複素力学応答計測では、臨界カシミール効果や粘性異常等の興味深い現象について、前例の少ないナノメーターレベルの実験データを提供し、相転移・臨界現象の物理の最先端に貢献する可能性を示した。

Research Products

• [Presentation] Critical Casimir Effect as a Complex Response of Near-Critical Binary Liquid Mixture Analyzed with Atomic Force Microscopy (2019)
  • Author(s): Masami Kageshima
  • Organizer: 17th International Conference on Liquid and Amorphous Metals (LAM-17)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液－液相分離の力学計測 (2019)
  • Author(s): 影島賢巳
  • Organizer: 2019年度先端分析・機能創発研究会
• [Presentation] 臨界2成分系における臨界カシミール効果と粘性の挙動の計測 (2019)
  • Author(s): 影島賢巳
  • Organizer: 第9回ソフトマター研究会
• [Presentation] 温度可変原子間力顕微鏡を用いた臨界カシミール効果の計測 (2019)
  • Author(s): 影島賢巳
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いた臨界カシミール効果の検出 (2019)
  • Author(s): 影島賢巳
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] ナノメータースケールソフトマター系のダイナミクスに関する最近の研究展開 (2018)
  • Author(s): 影島賢巳
  • Organizer: 第６回 構造機能と計測分析「さきがけ」その後研究会2017（先端分析・機能創発研究会）
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いた臨界カシミール効果の検出 (2018)
  • Author(s): 影島賢巳
  • Organizer: 第１５回バイオオプティクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Non-Newtonian behavior of hydrated polymer under shear with ultrasmall amplitude (2017)
  • Author(s): M. Kageshima, S. Itoh, K. Fukuzawa
  • Organizer: 10th Liquid Matter Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微小振幅シアで計測した水和高分子の非線形性 (2017)
  • Author(s): 影島賢巳, 伊藤伸太郎, 福澤健二
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Nanospace Fluids under Minimal Amplitude Shear (2017)
  • Author(s): Masami Kageshima
  • Organizer: EMN Meeting on Droplets
  • Int'l Joint Research / Invited