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Elucidation of hydration lubrication mechanism by friction measurement and in-situ observation of internal structure of nanometer-thick gel thin films

Research Project

Project/Area Number 20H02056
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

Itoh Shintaro  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (50377826)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
Keywordsナノトライボロジー / ナノレオロジー / ポリマーブラシ / 水和潤滑 / トライボロジー / ゲル
Outline of Research at the Start

ナノメートルオーダの厚さのゲル薄膜コーティングにより,0.01オーダの低摩擦係数が実現される.これは水和潤滑のひとつとして知られているが,そのメカニズムは未解明である.摩擦係数が【摩擦力÷荷重】で定義されることからわかるように,低摩擦係数を実現するには【摩擦力≪耐荷重】という力学的異方性が必要であり,それが実現されるためにはゲル薄膜の内部に異方的な内部構造が存在するはずである.そこで本研究では,摩擦特性の計測と同時に膜の内部構造のその場観測を実現し,ナノ厚さゲル薄膜の水和潤滑メカニズムを明らかにする.

Outline of Final Research Achievements

To elucidate the mechanism of lubricity of nano-thick gel thin films, a nano-friction measurement method was established to precisely measure and control the shear gap of tens to hundreds of nm and to simultaneously measure shear force, load, and contact area. The gel thin film was made of grafted and hydrated MPC polymers. Using the measurement method developed in this study, simultaneous measurement of shear viscoelasticity and friction properties was achieved, and it was found that there is a close correlation between the two and that there are two clearance regions where low friction is realized. To elucidate the mechanism in more detail, we constructed a measurement system that enables nano-friction measurement and dielectric relaxation measurement at the same time, and succeeded in measuring dielectric relaxation spectra. We also found that there is a correlation between the friction properties and the nanostructure of the thin film by X-ray reflectivity measurement.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果は,ゲル薄膜を用いた新しい潤滑技術を確立するための学術的基盤となるものである.ゲル薄膜を構成する分子構造の最適設計により力学物性とナノ構造を制御できれば,従来技術では摩擦係数が0.1以上となる境界潤滑状態において,流体潤滑と同等の低摩擦係数0.01を実現できる可能性がある.この技術が確立されれば,機械システムの耐久性と省エネ性能を画期的に向上させることができる.

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Presentation] 誘電緩和スペクトルとずり粘度の温度依存性計測による分子構造と粘度の相関解明2023

    • Author(s)
      内田恭輔, 伊藤伸太郎, 福澤健二, 東直輝, 張賀東
    • Organizer
      IIP2023 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 環境温度変化による位置変動を抑制したナノレオロジー計測用温度制御ステージの開発2023

    • Author(s)
      野末拓海, 伊藤伸太郎, 福澤健二, 東直輝, 張賀東
    • Organizer
      IIP2023 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 水和ポリマーブラシ膜のずり粘弾性がその摩擦特性に及ぼす影響の解明2023

    • Author(s)
      林楓昌, 伊藤伸太郎, 福澤健二, 東直輝, 張賀東
    • Organizer
      IIP2023 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ポリアルキルメタクリレート系添加剤のナノ厚さ吸着膜のずり粘弾性計測2022

    • Author(s)
      野末拓海,伊藤伸太郎,福澤健二,東直輝,張賀東
    • Organizer
      トライボロジー会議2022 秋
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 粘度と誘電緩和スペクトルの相関関係に基づくナノ閉じ込め粘度上昇メカニズム解明の試み2022

    • Author(s)
      内田恭輔,伊藤伸太郎,福澤健二,東直輝,張賀東
    • Organizer
      トライボロジー会議2022 秋
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Dependence of lubricant viscosity on molecular structure revealed by measuring temperature dependence of dielectric relaxation2022

    • Author(s)
      Kyosuke Uchida, Shintaro Itoh, Kohei aratani, Kenji Fukuzawa, Naoki Azuma, Hedong Zhang
    • Organizer
      2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment (MIPE2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Boundary Lubrication Properties of Nanometer-Thick Hydrated Polymer Brush Films and Layer Structure Analysis of the Films by X-ray Reflectometry2022

    • Author(s)
      Kyosuke Mochizuki, Shintaro Itoh, Kenji Fukuzawa, Naoki Azuma, Hedong Zhang
    • Organizer
      2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment (MIPE2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gap Dependence Measurement of Shear Viscoelasticity of Nanometer-thick Hydrated MPC Polymer Brush film2022

    • Author(s)
      Ling fengchang, Shintaro Itoh, Kenji Fukuzawa, Naoki Azuma, Hedong Zhang
    • Organizer
      7th World Tribology Congress
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水和ポリマーブラシ膜のせん断すき間に依存した動的ずり粘弾性2022

    • Author(s)
      林楓昌,伊藤伸太郎,福澤健二,東直輝,張賀東
    • Organizer
      トライボロジー会議2022 春
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ポリアルキルメタクリレート添加潤滑油のナノすき間におけるずり粘弾性の温度依存性2022

    • Author(s)
      野末拓海,伊藤伸太郎,大久保尚哉,福澤健二,東直輝,張賀東
    • Organizer
      トライボロジー会議2022 春
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ナノすき間でせん断される潤滑油のずり粘弾性と誘電緩和の同時計測2022

    • Author(s)
      勝野翔太郎, 伊藤伸太郎, 福澤健二, 東直輝, 張賀東
    • Organizer
      IIP2022 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 表面開始グラフト重合により作成したナノ厚さ水和ポリマーブラシ膜の境界潤滑特性(膜厚と面圧に対する依存性)2021

    • Author(s)
      伊藤伸太郎, 廣岡千鶴, 望月恭介, 福澤健二, 張賀東, 東直輝
    • Organizer
      日本機械学会2021年度年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ナノすき間でせん断される高分子添加潤滑油粘度のずり速度依存性2021

    • Author(s)
      伊藤伸太郎, 青木亮介, 福澤健二, 東直輝, 張賀東
    • Organizer
      トライボロジー会議2021 秋 松江
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] パターニングした水和ポリマーブラシ膜のせん断時における粘弾性と膜厚の同時計測2021

    • Author(s)
      林 楓昌, 伊藤 伸太郎, 福澤 健二, 張 賀東, 東 直輝
    • Organizer
      IIP2021 情報・知能・精密機器部門(IIP部門)講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ナノ厚さリン脂質ポリマーブラシ膜のずり粘弾性定量化に向けた光干渉縞計測によるせん断すき間同定法2020

    • Author(s)
      林 楓昌, 伊藤 伸太郎, 福澤 健二, 張 賀東, 東 直輝
    • Organizer
      日本機械学会2020年度年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 表面開始グラフト重合により作成したリン脂質ポリマーブラシ膜の水和状態における摩擦特性(水中に浮遊したポリマーの影響)2020

    • Author(s)
      廣岡 千鶴, 伊藤 伸太郎, 福澤 健二, 張 賀東, 東 直輝
    • Organizer
      日本機械学会2020年度年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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