Formation and process clarification of temperature-shrinkable twisted wire by optical vortex

Research Project

Project/Area Number	22K04772
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
Research Institution	Chiba University
Principal Investigator	豊田耕平千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (40740212)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	非線形工学 / 光渦 / 光の角運動量 / ソフトマテリアル / 非線形光学 / 応用物理
Outline of Research at the Start	光渦は螺旋波面というカイラリティを有する光である。光渦レーザーを金属イオン添加したハイドロゲルに照射すると、光渦の螺旋によって捩じれながら金粒子が析出、積層し、ツイストワイヤという新奇カイラル構造体を形成することが明らかとなった。本研究課題では、温度によって収縮する温度応答性ゲルを濃度や屈折率、形状をコントロールできる物性制御素子として用いることで、ツイストワイヤの形成プロセスとハイドロゲル物性の関係評価という理論面と、自在に捩じれピッチや屈折率を制御できる温度伸縮ツイストワイヤ開発という応用面から、体系的に温度伸縮性カイラルデバイスの創成を行う。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、光渦と金属イオン添加ハイドロゲルを組み合わせ、ツイストワイヤという新奇カイラル構造体を形成することを目的としている。温度応答性ゲルを用いた物性制御素子として、ツイストワイヤの形成プロセスとハイドロゲル物性の関係評価を行い、自在に捩じれピッチや屈折率を制御できる温度伸縮ツイストワイヤ開発を目指している。光還元反応を用いた金属析出を行い、光渦を用いて捩じれ構造を持ったツイストワイヤを作成し、その物性を計測することで、新奇カイラルソフトマテリアルの創成を目指す。本助成期間では、NIPAMの温度変調特性の測定と、ゲル内部に形成される構造体の形状と過程について、時間更新型のビーム伝搬法を開発しシミュレーションを行った。NIPAMの温度変調特性については、ホットプレート上で温度を上昇させた結果の直径変化を計測し、７０度で６０％程度までゲルサイズが非線形的に減少することが分かった。一方で光透過率は温度が上がると低下し、サイズと透過率のバランスを考える必要があることがわかった。さらに時間更新型のビーム伝搬法を用いて、金螺旋構造形成の過程を確認した。このビーム伝搬法では、光の入力に応じて屈折率が変化し、導波路が形成された。この導波路上に再度光を入力することで、光の導波経路が変化するように設計した。その結果、光渦が入射してから約2秒で、焦点部分での導波路がねじれることが確認された。さらに、そのねじれ方向は光渦の軌道角運動量に応答していることが明らかになった。これらの結果から、温度変調型ハイドロゲルによる金螺旋構造の形成に関する研究を、理論面と実験面の両面から進めることができることが示唆された。