| Project/Area Number |
24K00822
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
手嶋 秀彰 九州大学, 工学研究院, 准教授 (60906220)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 厚史 九州大学, 工学研究院, 教授 (10243924)
生田 竜也 九州大学, 工学研究院, 技術専門職員 (70532331)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2026: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
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| Keywords | ナノスケール固液界面 / 周波数変調型原子間力顕微鏡 / 周波数シフト・エネルギー散逸カーブ / 熱流体工学 / 電気二重層 / 濡れ性 |
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| Outline of Research at the Start |
固液界面は熱や流体を扱う科学の根幹的要素の一つであるが、ナノ・分子スケールでの理解は不足している。特に、固体面から100 nm程度の領域にはいくつもの界面特有の局所的状態が分布・共存している一方で、その多様さと計測の困難さゆえに殆ど未解明のままである。本研究では周波数変調型原子間力顕微鏡を基盤として、水和構造や電気二重層など複雑に相互干渉する固液界面のナノ性状を同時に計測できる新しい実験手法を開発する。この新手法によって、水－固体界面におけるナノ性状群の相互関係と連成問題を実験的に探究することで、その分子的描像の明確化を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、固液界面ごく近傍に存在する多様なナノ性状を計測する手法を確立し、その物理機構に迫ることを目的とする。
本年度は最も基盤的な技術となる、AFM探針に働く保存力・非保存力の計測技術の確立を目指した。具体的には共振周波数シフト量から保存力を、探針の振動振幅を一定に維持する電圧値から非保存力の影響(エネルギー散逸量)を見積もる予定であった。しかしながら、自動利得制御機構の限界により、固液界面のごく近傍では振動振幅を一定に保てないことがわかった。そこであえて振幅制御を全く行わないことで、その減少量からエネルギー散逸量を見積もる手法を考案した。探針に働く粘性抗力を流体力学に基づいて解析した結果、得られたエネルギー散逸量がもっともらしい値であることを確認できている。また探針に働く保存力の起源は、探針－基板間距離が約200nm離れた位置から共振周波数シフトが始まることから、電気二重層力に起因するものだと考えている。
さらに、共振周波数シフト量およびエネルギー散逸量の多点計測技術も確立しつつある。具体的には、新たにクローズドループフィードバックスキャナと光熱励振装置を導入したことで、探針の位置制御と実験結果の定量的な信頼性が大幅に向上した。現在は電子線リソグラフィ技術を用いて構造や濡れ性が周期的に変化する基板表面を作製中であり、この表面上で構造およびナノ性状の2次元マッピングを行うことで手法の有効性を検証する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通り、順調に計測技術を確立できている。探針の振幅制御が追い付かないという予期していない問題も生じたが、モデルを立て直すことで解決できており、今後の研究に支障はない。
前述したクローズドループフィードバックスキャナと光熱励振システムのおかげで計測の信頼性が大幅に向上したこともあり、研究課題は順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続いて振動振幅など計測条件の最適化を進める。またこのようなAFM計測手法の確立に並行して、得られたデータからナノ性状、すなわち表面電荷密度や表面自由エネルギーを定量的に算出するモデルの構築にも取り組む。さらに、固液に加えて気相も重なる接触線の分子的描像も明らかにすべく、ケルビンプローブフォース顕微鏡や白色干渉顕微鏡を用いた実験も行う。
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