ソフト界面における動的構造解析法の確立と界面拡散現象解明への展開

• Project Area: Molecular Soft-Interface Science
• Project/Area Number: 21106516
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 田中 敬二 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (20325509)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2010: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2009: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 高分子構造・物性 / 表面・界面 / 拡散 / 表面プラズモン共鳴 / 高分子 / 界面 / 膨潤動力学 / Case II拡散 / 拡散係数

Research Abstract

非溶媒と接触した高分子界面は濡れ性、選択透過性や生体適合性等といった機能性と密接に関連している。このため、非溶媒と接触した高分子鎖の凝集状態および熱運動特性の理解は重要であるが、これらをin-situで評価する手法が限定されているため、現状ではほとんど検討されていない。これまでに中性子反射率(NR)測定に基づき、非溶媒中におけるポリメタクリル酸メチル(PMMA)薄膜の凝集構造について検討してきた。その結果、高分子は非溶媒中においてさえも膨潤することを明らかにしている。NR測定は薄膜の深さ方向における組成分布を精密に評価可能であるが、現状では、測定に数時間から数十時間を必要とする。一方、可視光を用いた表面プラズモン共鳴(SPR)および光導波路(GWM)反射率測定の場合、精度はNRに劣るが、測定に要する時間は数秒程度であるため、膜の凝集構造変化をin-situで追跡可能である。本年度は、SPRおよびGWM測定に基づき、メタノール中におけるPMMA膜の厚化挙動を追跡することで、非溶媒中における高分子膜の膨潤挙動を明らかにした。種々の時間メタノールと接触したPMMA膜のSPRおよびGWM反射率曲線は、接触時間の増加とともに共鳴角が高角度側にシフトし、また、共鳴角における反射率が減少した。詳細な解析の結果、メタノールと接触後、Case II拡散で記述出来る膨潤挙動が観測された。厚膜においては、一成分の拡散係数が得られ、その値はバルク値とほぼ同じであった。拡散係数は膜厚250nm以下の領域では減少し始めた。薄膜領域においては二成分の拡散係数が導出され、早い成分(D_<fast>)に関しては膜厚に依存しなかったが、遅い成分(D_<slow>)は膜厚に依存した。しかしながら、薄膜領域におけるD_<fast>およびD_<slow>はいずれもバルクと比較して著しく小さかった。基板との相互作用について検討した結果、D_<slow>は基板に依存して変化した。以上の結果から、薄膜領域におけるPMMA膜の膨潤挙動は、基板界面における分子鎖熱運動性が支配的であることが明らかになった。

Research Products

• [Journal Article] Relaxation Behavior of Poly(methyl Methacrylate) at a Water Interface (2010)
  • Author(s): K.Tanaka, et al
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B. Volume: 114 Pages: 3457-3460
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Swelling Structure of Thin Poly(methyl methacrylate) Films in Various Alkyl Length Alcohols (2010)
  • Author(s): K.Tanaka, et al
  • Journal Title: J.Phys.Chem.Lett. Volume: 1 Pages: 881-885
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Swelling Structure of Thin Poly(methyl methacrylate) Films in Various Alkyl Length Alcohols (2010)
  • Author(s): H.Atarashi, H.Morita, D.Yamazaki, M.Hino, T.Nagamura, K.Tanaka
  • Journal Title: J.Phys.Chem.Lett. 1(5) Pages: 881-885
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Glass Transition Behaviour of Hyper-branched Polymers (2009)
  • Author(s): K.Akabori, H.Atarashi, M.Ozawa, T.Kondo, T.Nagamura, K.Tanaka
  • Journal Title: Polymer 50(20) Pages: 4868-4875
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interfacial Width in Polymer Bilayer Films Prepared by Double Spin-coating and Floating Methods (2009)
  • Author(s): Y.Fujii, H.Atarashi, M.Hino, T.Nagamura, K.Tanaka
  • Journal Title: ACS Appl.Mater. Interfaces 1(9) Pages: 1856-1859
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 液体界面における高分子セグメントの凝集状態とダイナミクス (2011)
  • Author(s): 田中敬二
  • Organizer: 熊本大学拠点形成研究「ソフト溶液プロセスをベースとした階層的ナノ組織集積材料の創成」研究会
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス,熊本
  • Year and Date: 2011-01-12
• [Presentation] Physical Sorption of Non solvents in Thin Polymer Films (2010)
  • Author(s): 田中敬二
  • Organizer: The 5th Asia-Oceania Forum on Synchrotron Radiation Research
  • Place of Presentation: Postech, Pohang, Korea
  • Year and Date: 2010-07-07
• [Presentation] Swelling of Thin Polymer Films in Non solvents (2010)
  • Author(s): 田中敬二
  • Organizer: International Symposium on Polymer Physics PP'2010
  • Place of Presentation: Shandong Hotel, Ji'nan, China
  • Year and Date: 2010-06-08
• [Presentation] Glass Transition of Polymers at Solid Interfaces (2009)
  • Author(s): K.Tanaka
  • Organizer: 6th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems
  • Place of Presentation: University of Rome "LaSapienza", Rome, Italy
• [Book] 高分子表面・界面分析法の新展開(15章異種固体におけるガラス転移温度) (2009)
  • Author(s): 田中敬二、長村利彦
  • Total Pages: 9
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Remarks]
  • URL: http://www.cstf.kyushu-u.ac.jp/~tanaka-lab/