2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theories, metrologies, and observations of optical forces for establishing basics of optical manipulation
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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| Project/Area Number |
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) |
川野 聡恭 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00250837)
菅原 康弘 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40206404)
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, 生命工学領域, 主任研究員 (60435766)
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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 / 光マニピュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
AFMカンチレバーやカーボンナノチューブ(CNT)バネ、或いは可視広域で透明な原子層膜(MoS2など)をバネにした精密光圧計測法を開発しており、AFMカンチレバーを用いた場合では、ヘテロダイン技術(周波数変換技術)と周波数変調(FM)法に基づく方法(ヘテロダインFM法)により光熱効果による見かけの力と光誘起力を分離測定し、ロッド部と球状部分から成る複合量子ドットからの光誘起力を詳細に空間分解することに成功した。また熱膨張係数が正のMoS2 と負のグラフェンの2 層機械共振器を作製し、見かけの熱膨張率を約1/3 に低減することに成功した。さらに、広バンドギャップ材料であるh-BNの機械的共振器を作製し、絶縁体にもかかわらず電気的な励振に成功した。一方、ナノ粒子の運動観測においては、高度機械工学技術と光圧場を用い、ナノギャップ電極に粒子を効率的に通過流動させ、一粒子識別の高速・高性能化に資する三通りの新奇流動を創成することに成功した。すなわち，マイクロ・ナノ粒子の振動流生成，熱泳動・電気流体力学流れと光圧場の機能的融合、光渦によるナノ粒子公転半径のリアルタイム制御について、高精細動画撮影が可能となった。また、光圧による蛍光性粒子の捕捉、集合過程における周辺粒子の粒子画像流速測定を行った結果、レーザー光強度が高くなるにつれて周辺粒子の粒子速度が増加する傾向がみられることが分かった。理論面では、局在プラズモン共鳴と対象の共鳴非線形応答による効果を相乗させることによってナノ微粒子の操作自由度を拡大させ、金属ナノギャップにおいて円偏光を照射して非線形効果を用いることにより、捕捉と回転運動がスイッチ出来ることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
AFM深針をバネとし、ヘテロダインFM法により光熱効果による見かけの力と光誘起力を分離測定することに成功し、対象とカンチレバーがごく短距離の場合にのみ働く力の抽出できたことによって、実際に複合的な量子ドットの、光学特性を反映した多角的な空間情報が得られるようになった。これは理論的計算ともよく一致している。特にその空間分解能は世界トップレベルとなり、当初想定していたよりもさらに高い性能を得ることが出来た。また、理論面においては、界面の近接場などでナノ微粒子を捕捉しつつ、電子遷移に共鳴する光によって特定の遷移エネルギーを持つ粒子を輸送することによって単一微粒子の吸収スペクトルなどを計測できる可能性があることがわかった。例として、NV-センターを含むナノダイヤを輸送することによって１粒子の吸収スペクトルが推測できることをシミュレーションにより示すことに成功した。これについては共同研究[A]などにおいて目標とする、光圧でのみ可能な物質の微視的情報の取得に結びつく具体的な実験提案が出来たことになり、光圧技術実現への重要なブレークスルーとなり得る。この成果については当初の想定を超えた成果と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
「計画研究1」の具体的なミッションは、
1.ナノ物質の光圧に対する理論の信頼性を高め、理論と計測・観測結果を整合させること。
2.ナノ物質の光圧に対する計測技術を確立し、運動の予測と実験解析を可能とすること。
3.光圧下で運動するナノ物質の観測、及び流体媒質中での運動の解析技術を確立する。
4.上記、1から3の結果を相互に整合させ、その知見と技術を班間共同研究に投入することである。この手段として、「微視的光学応答理論」、「AFMカンチレバーを利用した世界最高感度の力検出技術」、「カーボンナノチューブ(CNT)の機械的バネ振動を利用した世界最高精度の分子質量計測技術」、「超高感度分子トラッキング・可視化法」、「流体場を再現するマイクロ流路観測と数値計算を融合した独自の分子流体ハイブリッドシミュレーション」を投入し、光圧誘起運動への環境の影響を解析し、ナノ物質と環境の物理的・化学的相互作用の詳細を解明する。2019年度は、AFMカンチレバーによる光誘起力顕微鏡において量子ドットに働く光誘起力の波長依存性を測定する予定である。また単原子層をバネとした光圧計測については凝集したQ-dot を担持した透明な機械共振器の光応答からQ-dot に働く光圧について検討する。また、超微細加工技術により、ナノギャップ電極を有する高集積化流路を製作するとともに、光圧場による粒子流制御系を導入し、一分子識別への重要な分子流体力学的知見を蓄積する。理論面では2018年度に行った理論提案の実験検証を進めていく予定である。
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[Journal Article] Measurement and Manipulation of the Charge State of Adsorbed Oxygen Adatom on Rutile TiO2(110)-1×1 Surface by nc-AFM and KPFM2018
Author(s)
Q. Zhang, Y. J. Li, H. F. Wen, Y. Adachi, M. Miyazaki, Y. Sugawara, R. Xu, Z. H. Cheng, J. Brndiar, L. Kantorovich, and I. Stich
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Journal Title
Journal of American Chemical Society
Volume: 140
Pages: 15668-15674
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] table Contrast Mode on TiO2(110) Surface with Metal-Coated Tips Using AFM2018
Author(s)
Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Adachi, E. Arima, Y. Kinoshita, H. Nomura, Z. M. Ma, L. Kou, Y. Naitoh, Y. Sugawara, R. Xu, Z. H. Cheng
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Journal Title
Ultramicroscopy
Volume: １９１
Pages: 51-55
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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