2016 Fiscal Year Annual Research Report
光圧を識る：光圧の理論と計測・観測技術開発による基礎の確立
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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16H06504
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
石原 一 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60273611)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋田 成司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202529)
細川 千絵 国立研究開発法人産業技術総合研究所, バイオメディカル研究部門, 研究員 (60435766)
菅原 康弘 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40206404)
川野 聡恭 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00250837)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 光圧 / 分子流体力学 / 単一分子計測 / 光物性理論 / 光マニピュレ－ション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２８年度は光圧の精密計測システムの立ち上げ、流体中での運動微粒子のトラッキングシステムと熱流体解析システムの立ち上げを予定し、また計算サーバーの領域での共同利用を進めることを計画した。その計画の下、具体的には（１）原子間力顕微鏡（AFM）のカンチレバーを用いた光圧測定、（２）カーボンナノチューブ機械振動子による光圧測定、（３）光圧下で運動するナノ粒子や分子の高感度トラッキングシステム立ち上げと観測、（４）トラッキングデータの流体力学解析の実施、（５）選別的操作の理論的提案、を行うことを予定した。
（１）については、カンチレバーを用いて物質への光照射に伴う光圧を分離・測定する方法の開発を目指し、光照射強度の変調周波数と測定する光圧信号の変調周波数を異なる値に設定することにより熱発生の影響を除去しながら光圧を高感度・高精度に測定することに成功した。（２）では当初の予定通りミクロンスケールの誘電体球（ポリスチレンビーズ）に働く光圧をカーボンナノチューブ機械振動子により実測することに成功し、理論的な予測と一致することを確認した。（３）については、捕捉用レーザー光源、高感度カメラ付顕微鏡を新たに導入して光捕捉・顕微蛍光測定システムの構築を進め、ミクロンサイズの蛍光性粒子水分散液に捕捉用レーザーを集光すると、レーザー光の集光位置に粒子が捕捉されることを確認した。（４）では熱泳動の定量評価を目指す実験系の構築とデータ収集を予定通りに進めることができ、さらに光圧マニピュレーションの実験系の構築やハイブリッドシミュレーションの準備等に注力した。（５）では非共鳴光圧の利く母体に共鳴体が存在する場合に対向ビームを用いて前者の影響を打ち消して共鳴光圧のみで選別的操作を行う手法を提案した。また数値計算サーバーの共同利用が出来る体制を構築した。
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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
高感度計測システムの立ち上げについては、予定されていて出来ていない項目はカンチレバーのたわみ成分とねじれ成分を分離した光圧のベクトル成分測定であるが、一方で、２９年度に予定した、熱発生の影響を除去しながら光圧を高感度・高精度に測定する手法は２８年度にその基礎的測定に成功している。また、マイクロマニピュレーションによりミクロンスケールのポリスチレン球を熱溶接する技術を新規に開発したことは予定以上の成果であり、ポリスチレン球に量子ドットなどをドープした単一粒子光圧測定に道を拓いた。
動的観測と解析に関連しては、熱泳動の定量評価を目指す実験系の構築とデータ収集は予定通りであったが、光圧マニピュレーション時の熱流体解析やハイブリッドシミュレーションは装置の導入および検証段階である。一方で、ミクロンサイズの蛍光性粒子水分散液に捕捉用レーザーを集光すると、レーザー光の集光位置に粒子が捕捉されることを確認し、また複数の粒子のトラッキング解析により、レーザー光強度に依存して周辺粒子の挙動が異なることを示してレーザー照射に伴う熱対流に起因した効果について検証したことは予定以上の知見の獲得であった。
理論研究においては選別的操作の新手法の提案を予定通りに行い、さらに非線形光圧操作で粒子の進行方向や回転方向がスイッチ出来るという新しい操作機構を提案できたのは計画以上の成果であった。
以上のようにやや予定より遅れた項目と計画以上に進んだ項目があり、全体としては概ね計画通りの進行であると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
光圧の精密計測においては、現在の光圧の測定方式を振幅変調（AM）方式から周波数変調（FM）方式に変更し、より高感度・高精度に光圧を測定できるようにする。また、溶液中環境においては、カンチレバーの先端に微粒子、量子ドットを担持し、光圧を測定できることを実証する。また、カンチレバーのたわみ成分とねじれ成分を分離・測定することにより、光圧のベクトル成分を測定できることも実証する。さらにカーボンナノチューブだけでなくグラフェン、窒化ホウ素、二硫化モリブデンなどの原子層膜ナノ機械振動子によりミクロンスケールよりも小さな粒子に働く光圧の測定を行う。ここで高精度な振動の測定のために光学的な方法だけでなく電気的な方法も導入する。
動的観測と解析に関連しては、引き続き温度勾配に対する粒子応答等のデータ収集を進め、熱泳動の光圧への寄与を正確に見積もる手法の確立を目指す。光圧マニピュレーションの実験系を完成させ、集光レーザーやプラズモン近接場における熱流体解析およびそのハイブリッドシミュレーションを進める。さらに、微粒子の光圧マニピュレーションによる流動制御技術の確立を目指し、マイクロ流路デバイスを試作して評価する。加えて、引き続き光圧印可時における蛍光性粒子の流体解析を行い、粒子に働く光圧の理論値と実験結果との整合性について明らかにする。また捕捉用レーザーに加え、共鳴用レーザーを同軸で導入し、レーザー集光位置における蛍光検出の高感度化を図ることにより、蛍光性粒子を対象として光圧印可時における共鳴効果について理論、実験の両方から検証する。
理論課題においては28年度提案した選別的光圧操作の手法の実用性を明確にする現実的なモデルと条件の下で計算を行い、実験提案を具体的なものとする。また非線形効果を用いた光圧操作をA02,A03計画研究に提案し、実験計画を策定する。
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[Presentation] Multiplex communication by BP learning in neural network2016
Author(s)
S. Tamura, Y. Nishitani, C. Hosokawa, T. Miyoshi, H. Sawai, Y. Mizuno-Matsumoto, and Y.-W. Chen
Organizer
2016 9th International Congress on Image and Signal Processing, BioMedical Engineering and Informatics (CISP-BMEI)
Place of Presentation
Datong (China)
Year and Date
2016-10-15 – 2016-10-17
Int'l Joint Research
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[Presentation] Radiative coupling of free and bound excitons2016
Author(s)
T. Kinoshita, T. Matuda and H. Ishihara
Organizer
13th International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors (NOEKS13)
Place of Presentation
Technische Universitat Dortmund（Dortmund ドイツ）
Year and Date
2016-10-09 – 2016-10-13
Int'l Joint Research
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