臨界ゆらぎダイナミクスの空間・時間分解ナノスケール高精度計測

Research Project

Project/Area Number	22K04934
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research Institution	Osaka Electro-Communication University
Principal Investigator	影島賢巳大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (90251355)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Keywords	臨界状態 / 相転移 / 相関長 / 原子間力顕微鏡 / シア / 粘性 / 臨界ゆらぎ / 臨界カシミール効果 / 粘性異常
Outline of Research at the Start	理論的にも未解明な点の多い相転移・臨界現象の微視的側面を実験的に探るため、研究代表者が精通した計測手法である原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、臨界2成分系の液液相分離臨界状態で臨界ゆらぎの相関長の発散によって生じる異常を、力学的に計測するアプローチを確立する。この手法を用いて、臨界カシミール効果による特異な力や、粘性異常の特性を、境界面との空間的な位置・方向の関係や、その計測の時間スケールへの依存性として測定し、臨界現象の微視的・時間分解的側面を解き明かす研究である。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、温度による相転移を起こす代表的な二成分系である、2,6-ジメチルピリジン（ルチジン）と水の混合液が臨界状態のときに、その中に置かれた2表面間の特異な力学現象を、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて実験的に探る研究をしている。今年度は特に、理論との対照を意識して、2表面にシアの動きをさせた場合に、粘性による抵抗力が温度に対してどのような依存性を示すかを計測することに重点を置いている。2表面間の距離が、二成分系の相関長を下回る近距離領域での実験的計測はほとんど報告例がなく、理論的研究も非常に乏しいのが現状である。AFMを用いた計測はこの欠落を埋めることのできるアプローチであると考えている。これまでの研究で観測された臨界状態の力学的異常は再現性に乏しかったので、考えられる原因の１つである有機物による汚染を最大限に減らすため、実験用のセルや試料ホルダーから可能な限り樹脂を排除して、金属とガラス中心の構造に作り替えた。これによって有機系の汚染物はかなり低減されたのではないかと考えるが、試料であるマイカ（雲母）基板を、従来の有機系接着剤による固定ではなく、板ばねにスライドインして挟み込む形式にしたところ、ミクロンレベルの微細なデブリが多数生じ、測定の障害になっている。 AFMを用いたシアによる粘性の計測については、探針であるガラスコロイド粒子を接着した力センサーを、磁気力を用いてねじれ振動させる方式で良好な計測が行えることを確認できたので、前述の試料固定方法の問題に対処して理想的な計測を実現することを目指している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本研究の基本的な方針の1つである、AFMを用いたシアによる粘性を計測することは、力瀬センサーを磁気力によってねじれ振動させることによって実現できている。そこで、従来の計測で問題を引き起こした可能性のある有機汚染物を低減できるよう、実験装置のセルや試料ホルダーから樹脂材料を排除して作り直すことまでは計画通りであったが、その結果、予想外のデブリの問題が新たに生じて理想的な計測が実現できていない。
Strategy for Future Research Activity	まず現在の問題をクリアして、シア粘性の温度依存性の理想的な計測を実現させ、理論との比較対照を行う。次に、探針の励振方向を変えて試料基板に垂直な方向の計測に切り替えて2表面間の引力相互作用を直接計測できるようにし、臨界状態で生じるとされる臨界カシミール効果と、これと同時に計測される粘性抵抗力にも異常が検出できないかを、同時検出によって検証する。これら２つの作用を複素量として同時計測した報告は今までにないため、成功すれば画期的である。