2016 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, その他部局等, 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、水流中の氷が付着しないように、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。二年目である平成28年度は、以下の結果を得た。
1. 不凍タンパク質に着想を得たポリペプチドの水溶液の一方向凍結に関する測定と観察を行った。その結果、氷/水溶液界面は櫛歯状になり、界面温度が低下した。このポリペプチドの働きを変えるために、水溶液を数時間予熱して冷ました後、凍結したところ、界面温度がいっそう低下した。ほかの測定や観察を行った結果、短時間予熱により生じたポリペプチドの会合体の氷表面への吸着が原因であることを明らかにした。この結果を踏まえ、不凍タンパク質水溶液を短時間予熱して、同様の測定を行った。その結果、予熱時間が短いとき、顕著な氷成長抑制が得られた。
2. 水平冷却面に衝突する水滴の気液界面の振動について、フェーズフィールド法を用いた二次元数値シミュレーションと測定を行った。界面振動の周波数の測定値は、他者の経験式の値とよく一致した。シミュレーション結果は、定性的に実験結果と一致したが、定量的には実験結果と異なった。この原因は、計算条件と実験条件の差のみならず、二次元計算によって生じる界面振動のモード数の違いと冷却面に沿う氷の成長率の違いにあると考えられる。なお、潜熱移動のみならず、液滴衝突で引き起こされた循環流の上向き成分によって、温度場が擾乱されることを明らかにした。
3. シランカップリング剤を用いて１で検討したポリペプチドを固定した機能面を創製し、その上に静置した液滴の凍結を観察した。その結果、創製した機能面は氷核生成温度を下げ、凍結を抑制することが明らかになった。その原因として、ポリペプチド会合体が表面に固定されていることが、原子間力顕微鏡の観察により明らかになった。
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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28年4月に提出した交付申請書の研究実施計画と比較した結果をいかに示す。
1.備品として購入した原子間力顕微鏡によるポリペプチド固定表面の観察に関しては、温度応答性高分子の選定に手間取ったため、温度依存性のない状態での観察にとどまった。しかしながら、当初予定の透明プラスチックのみならず、ガラス、アルミニウムのポリペプチド固定表面の観察を行い、その特性の違いを把握できた。
2.プラズマ処理によるポリペプチドの表面への固定は耐久性がやや劣ることが明らかになったので、別の方法を検討し、耐久性を高め水滴の凍結を遅らせる効果的な方法を得た。計画通り、この方法により作成した面の接触角を測定した。
3.予熱したポリペプチド水溶液を用いた場合には、原子間力顕微鏡による表面観察の結果、会合体が固定されていることを確認したが、その分布は不均一であった。そこで、計画にはなかったが、会合体を固定する面積を減らして疎水部を増やす目的で、計画にはなかったが、ピラー構造を持つ機能面を新たに試作した。
4.フェーズフィールド法を用いた、衝突液滴の凍結に関する数値シミュレーション結果の考察を行い、２次元計算と３次元測定の違いが計算結果に影響していることに気付いたので、計画よりも早めに、３次元計算法の検討を始めた。また、次年度の実施計画にある気流を伴う液滴の冷却面への衝突と凍結に関して、予定より早く実験装置の一部を完成させ、測定を行った。
以上のことより、１と３は予定よりやや遅れているものの、２は予定どおりであり、4は予定より進んでいるので、総合的に「おおむね順調に進展している」と判断した。
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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着霜実験装置に、作成した機能面を取り付けて測定を行う。②赤外線サーモグラフィを用いて機能面の表面温度を測定する方法を確立する。③冷却装置、送風機、蒸気発生器からなる低温気流測定装置を設計し、製作する。④製作した装置に、サーモグラフィ、近赤外カメラを取り付け、定めた条件の下で予備実験を行う。そのほかに、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。
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、研究成果を発表するとともに、情報交換を行う。なお、国際共著論文の作成も計画している。
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