光圧下のナノ粒子群が示す揺らぎと秩序の熱力学を定量化する計測データ解析

• Project Area: Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces
• Project/Area Number: 17H05463
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 花崎 逸雄 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (10446734)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2018: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2017: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 光捕捉 / レーザー / トラップ / 界面 / クラスター / 力場 / 自由エネルギー / ポテンシャル / Particle Tracking / Brown運動 / 拡散 / 顕微鏡動画 / 秩序 / ブラウン運動 / 時系列データ解析 / ナノ粒子 / 集団挙動 / 結晶化 / 構造 / 粒子追跡 / 計測 / データ解析 / 熱力学

Outline of Annual Research Achievements

同じエネルギー差で異なる形状の力場がある場合に，粒子をトラップできる時間が異なることを発見した．光圧関連技術が高度に発展してきた現在も，光捕捉における粒子の力場滞在時間は化学反応で言う遷移状態理論，あるいはアレニウス則に基づいて見積もられている．そこではエネルギー差だけが滞在時間を左右すると仮定し，力場の範囲や形状は一切考慮されない．この力場の範囲や形状を変えることにより，同じエネルギー差であっても滞在時間を変えることができる．言い換えれば，レーザーパワーを高くすること以外に滞在時間を長くする余地があるという画期的な発見である．そして，実験で得られる顕微鏡動画データ解析により，固液界面で光圧を受けるナノ粒子群が集まり形成するクラスターのダイナミクスを追究した．その結果，粒子群が示すランダムさを伴うダイナミクスはバルクの拡散とは異なり，焦点を中心とした半径方向と，それに対して水平面内で垂直な周方向とで動態が異方性を有することがわかった．しかも，クラスター内の局所的な場所に応じて明確にダイナミクスの統計的な特徴が異なることを発見した．また，時間を無限大で考えると空間的拘束により拡散係数はゼロに収束していくことになるが，有限の時間スケールで時間スパンの依存性を評価することにより，その特徴を詳しく評価することができた．特に，変位分布を拡散係数の次元に変換してから対数尺度で評価する独自の方法により，バルク拡散に相当する位置に1つのピークがあるのとは別に，それよりも大きな値にピークがもう１つ存在することを明らかにした．光圧の保存力成分による空間的拘束や壁面のごく近傍のダイナミクスであることを考慮するとランダムな運動が制限される因子が目立つが，実際には光圧の散乱力成分の影響によりナノ粒子はBrown運動を促進されてもいるということが明らかになった．

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute(ドイツ)
• [Journal Article] Soft trapping lasts longer: Dwell time of a Brownian particle varied by potential shape (2019)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, Takahiro Nemoto, and Yoshito Y. Tanaka
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 99 Issue: 2 Pages: 022119-022119
  • DOI: 10.1103/physreve.99.022119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-uniform stochastic dynamics of nanoparticle clusters at a solid-liquid interface induced by laser trapping (2019)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, Chie Hosokawa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 印刷中
  • NAID: 210000156153
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-scale dependent Brownian motion of nanoparticles in clusters at a solid-liquid interface by laser trapping (2019)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, Chie Hosokawa
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anisotropic dynamics of nanoparticles in clusters at a solid-liquid interface by laser trapping (2019)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, Chie Hosokawa
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Time resolution effect on the apparent particle dynamics confined in a nanochannel evaluated by the single particle tracking subject to Brownian motion (2018)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, Yutaka Kazoe, Takehiko Kitamori
  • Journal Title: Microfluidics and Nanofluidics Volume: 22 Issue: 5 Pages: 56-56
  • DOI: 10.1007/s10404-018-2073-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Particle image diffusometry: Resolving diffusion coefficient field from microscopy movie data without particle tracking (2018)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, Yuto Ooi
  • Journal Title: AIP advances Volume: 8 Issue: 6
  • DOI: 10.1063/1.5032147
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Anisotropic dynamics of nanoparticles in clusters at a solid-liquid interface by laser trapping (2018)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, and Chie Hosokawa
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-scale dependent Brownian motion of nanoparticles in clusters at a solid-liquid interface by laser trapping (2018)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, and Chie Hosokawa
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-uniform dynamics of nanoparticle clusters at a solid-liquid interface by laser trapping (2018)
  • Author(s): Itsuo Hanasaki, and Chie Hosokawa
  • Organizer: 31st International Microprocess and Nanotechnology Conference (MNC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光圧下のナノ粒子群が示す揺らぎと秩序の熱力学を定量化する計測データ解析 (2018)
  • Author(s): 花崎逸雄
  • Organizer: 新学術領域「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」第2回公開シンポジウム
• [Presentation] TIRFによるナノ流路内のトレーサー可視化における露光時間の影響 (2018)
  • Author(s): 花崎逸雄，嘉副裕，北森武彦
  • Organizer: 可視化情報シンポジウム
• [Presentation] 粒子追跡型解析と非追跡型解析を駆使して解明する光圧下におけるナノ粒子群動態 (2018)
  • Author(s): 花崎逸雄
  • Organizer: 新学術領域「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」第3回公開シンポジウム
• [Remarks]
  • URL: http://web.tuat.ac.jp/~ihlab/
• [Remarks]
  • URL: https://scholar.google.com/citations?hl=ja&user=NNbPJ8cAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate
• [Remarks]
  • URL: http://www.researcherid.com/ProfileView.action?returnCode=ROUTER.Success&Init=Yes&SrcApp=CR&queryString=KG0UuZjN5Wm6pm5saXCXdTHTfccZjCOYmYKDF506TtM%253D&SID=C5QRdvSlcDtEfcN9q2G