2015 Fiscal Year Annual Research Report
氷成長抑制ポリペプチドと温度応答性物質を用いた水・氷・霜の付着しない機能面の研究
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15H02220
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
萩原 良道 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50144332)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 直毅 京都工芸繊維大学, 分子化学系, 教授 (60243127)
大久保 英敏 玉川大学, 工学部, 教授 (80152081)
灘 浩樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 環境管理研究部門, 主任研究員 (90357682)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱工学 / ポリペプチド / 機能面 / 着氷防止 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、空気流中の水滴、雪、氷粒子、水流中の氷、さらには蒸気流が冷やされてできる霜が付着しないように、ナノスケールの表面の凹凸が温度に応じて変わることができる新規な透明機能面の確立することを目的とする。初年度である平成28年度は、以下の結果を得た。
1.冬ガレイ由来の不凍タンパク質のアミノ酸配列をもとにしたポリペプチドの水溶液の一方向凝固実験を行った。その結果、水溶液を短時間予熱することにより、同濃度の不凍タンパク質水溶液と比べて界面速度と界面温度がより低下することが明らかになった。
2. 水平試験板上に水滴を滴下して冷却すると、水滴の表面に氷膜が生成し、その後水滴内部の液体部が冷却面から上方向に向かって氷成長することが分かった。試験板としてポリスチレン板とガラス板を採用した。プラズマ処理法を用いて、ポリペプチドを固定したポリスチレン板上の水滴は、未処理のポリスチレン板上の水滴よりも凝固点が低下することを得た。また、シランカップリング剤を介してポリペプチドを固定したガラス板上の水滴は、未処理のガラス板上の水滴と比較して、凝固点および結晶化温度が低下することを得た。
3．フェーズフィールド法と埋め込み境界法を用いて、冷却面上の液滴の凍結に関する数値シミュレーションを行った。その結果、上記2で述べた気液界面に沿って氷殻が形成される現象に近い現象を再現できることが明らかになった。さらに、このシミュレーションを発展させて、冷却面に衝突した直後の低温液滴に関する数値シミュレーションを行った。その結果より、衝突時の気液界面の揺動及び液滴内の流動によって、冷却面に静置させた場合より潜熱の移動が促進されることを確認した。
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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
平成27年4月に提出した交付申請書の研究実施計画では、まず冬ガレイ由来不凍タンパク質をもとに数種類のポリペプチドを合成することになっていた。これに関しては、2種類のポリペプチドを合成し実験に用いたので、おおむね順調に進展していると言える。
つぎに、ポリペプチド水溶液を予熱して会合体を形成し、これを表面処理したプラスチック板に固定する計画があった。これについては、予熱した水溶液の特性を調べるために行った一方向凝固実験結果を英語論文に纏めるために、会合体の詳細な計測を行った。これと並行してプラスチック板の表面処理を行い、予熱した水溶液を用いて会合体の固定を試みた。原子間力顕微鏡による表面のデモ測定を依頼したところ、予想以上に不均一であった。そこで、予熱していない水溶液を用いてポリペプチドを固定した機能面を作製した。予定より早く、この機能面上に純水の水滴を置いて冷却し、凝固点と氷成長の測定を行った。また、予定より早く金属の機能面を作製して、凝固点の測定を行った。したがって、おおむね順調に進展していると言える。
さらに、作成した面の接触角を計画通り測定した。
最後に、分子動力学法とフェーズフィールド法を用いて、水平面上の水滴の形状と付着を予測するシミュレーション法を開発する計画があった。これに関しては、分子動力学法による液滴の付着の予測は不十分であるが、フェーズフィールド法による液滴形状と凝固過程の予測は順調に進み、衝突直後の液滴の凝固、衝突しつつある液滴の凝固の予測もできることがわかり、2編の国際会議論文に結果を発表予定である。したがって、おおむね順調に進展しているといえる。
以上の進捗状況より、総合的に「おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の進捗状況を鑑みて、本年4月の交付申請書には、当初の計画通りの研究計画を記した。その概要は以下のとおりである。①原子間力顕微鏡を用いてポリペプチド固定プラスチック板の表面特性を調べる。②機能性高分子の会合体を含む水溶液を作成したうえで、予熱により生成した機能性高分子の会合体を別のプラスチック板に固定する。③原子間力顕微鏡を用いて、このプラスチック板の表面特性を調べる。④機能性高分子を固定した板の接触角を測定し、表面の濡れ性を調べる。⑤分子動力学により、機能性高分子を表すモデルを開発したうえで、前年度に開発した数値シミュレーション法にこのモデルを組み込んで計算を実行する。
このうち、⑤の分子動力学法については、昨年度予定よりやや遅れていたので、今年度はより積極的に取り組む。それ以外の項目については、本年の計画書に記載の、当初計画案どおりに進める予定である。
なお、昨年度末に分担者と行った成果報告会は有意義であったので、本年度も実施する。また、それ以外にも、学会講演会などの機会を捉えて情報交換を行う。
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