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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

Research Project

Project/Area Number 15H02220
Research InstitutionKyoto Institute of Technology

Principal Investigator

萩原 良道  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50144332)

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)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords熱工学 / ポリペプチド / 機能面 / 着氷防止
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。

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。

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。

  • Research Products

    (21 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Recent advances in nanofibrous assemblies based on β-sheet-forming peptides for biomedical applications2017

    • Author(s)
      Tomonori Waku and Naok Tanaka
    • Journal Title

      Polymer International

      Volume: 66 Pages: 277-288

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ice growth inhibition in antifreeze polypeptide solution by short-time solution preheating2016

    • Author(s)
      Naoto Nishi, Takuya Miyamoto, Tomonori Waku, Naoki Tanaka and Yoshimichi Hagiwara
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 11 Pages: 1-15

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0154782

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effects of preheating on ice growth in antifreeze polypeptides solutions in a narrow space2016

    • Author(s)
      Takuya Miyamoto, Naoto Nishi, Tomonori Waku, Naok Tanaka and Yoshimichi Hagiwara,
    • Journal Title

      Journal of Physics Conference Series

      Volume: 745 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1088/1742-6596/745/3/032129

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Anisotropy in geometrically rough structure of ice prismatic plane interface during growth: development of a modified six-site model of H2O and a molecular dynamics simulation2016

    • Author(s)
      Hiroki Nada
    • Journal Title

      J. Chem. Phys.

      Volume: 145 Pages: 1-11

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4973000

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Molecular dynamics analysis on the effects of antifreeze protein and ions on water molecules near ice layers2017

    • Author(s)
      T. Yasui, T. Kaijima and Y. Hagiwara
    • Organizer
      6th International Symposium on Micro and Nano Technology
    • Place of Presentation
      福岡市九州大学
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Icephobic surfaces produced with an antifreeze polypeptide and a silane coupling agent2017

    • Author(s)
      K. Arai, N. Nishi and Y. Hagiwara
    • Organizer
      6th International Symposium on Micro and Nano Technology
    • Place of Presentation
      福岡市九州大学
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of antifreeze protein on the growth of ice particles in ice slurry flow in a mini channel2017

    • Author(s)
      Y. Takeshita and Y. Hagiwara
    • Organizer
      6th International Symposium on Micro and Nano Technology
    • Place of Presentation
      福岡市九州大学
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of preheated or pH-controlled solution of antifreeze protein on unidirectional freezing in a narrow space2017

    • Author(s)
      T. Miyamoto, N. Nishi, T. Waku, N. Tanaka and Y. Hagiwara
    • Organizer
      6th International Symposium on Micro and Nano Technology
    • Place of Presentation
      福岡市九州大学
    • Year and Date
      2017-03-22 – 2017-03-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フェーズフィールド法を用いた氷粒子を含むダクト内水流の二次元数値シミュレーション2016

    • Author(s)
      藤井 聖明,豊原 一将,萩原 良道
    • Organizer
      第6回潜熱工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      京都市京都工芸繊維大学
    • Year and Date
      2016-12-09 – 2016-12-09
  • [Presentation] 冷却面に衝突する水滴の相界面変動に関する数値シミュレーション2016

    • Author(s)
      豊原 一将,木村 亮太,萩原 良道
    • Organizer
      日本機械学会流体工学部門講演会
    • Place of Presentation
      宇部市山口大学
    • Year and Date
      2016-11-12 – 2016-11-12
  • [Presentation] 二種類のポリペプチド水溶液の氷表面温度と円偏光二色性の計測2016

    • Author(s)
      磯 大斉,宮本 拓弥,萩原 良道
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス
    • Place of Presentation
      松山市愛媛大学
    • Year and Date
      2016-10-23 – 2016-10-23
  • [Presentation] 不凍ポリペプチドとシランカップリング剤を用いた氷成長を抑制する機能面の創製2016

    • Author(s)
      新井 一秀,西 真人,萩原 良道
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス
    • Place of Presentation
      松山市愛媛大学
    • Year and Date
      2016-10-23 – 2016-10-23
  • [Presentation] 分子動力学解析を用いた冬ガレイ由来不凍タンパク質とイオンが有する水分子の運動抑制効果2016

    • Author(s)
      安井 達也,貝島 正,萩原 良道
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス
    • Place of Presentation
      松山市愛媛大学
    • Year and Date
      2016-10-23 – 2016-10-23
  • [Presentation] 不凍タンパク質の予熱と凝集による氷成長抑制の向上2016

    • Author(s)
      宮本 拓弥,西 真人,萩原 良道
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス
    • Place of Presentation
      松山市愛媛大学
    • Year and Date
      2016-10-23 – 2016-10-23
  • [Presentation] Ice growth and interface oscillation of water droplets impinged on a cooling surface2016

    • Author(s)
      Y. Hagiwara, S. Ishikawa, R. Kimura, K. Toyohara
    • Organizer
      18th Int. Conference of Crystal Growth and Epitaxy
    • Place of Presentation
      名古屋市名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2016-08-12 – 2016-08-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 冷却面に衝突した水滴の界面変動に対する凝固の影響2016

    • Author(s)
      石川 将次,福島 一孝,木村 亮太,萩原 良道
    • Organizer
      混相流シンポジウム
    • Place of Presentation
      京都市同志社大学
    • Year and Date
      2016-08-10 – 2016-08-10
  • [Presentation] Effects of preheating on ice growth in antifreeze polypeptides solutions in a narrow space2016

    • Author(s)
      T. Miyamoto, N. Nishi, T. Waku, N. Tanaka and Y. Hagiwara
    • Organizer
      7th European Thermal Science Conference
    • Place of Presentation
      ポーランドクラクフ市Jagiellonian University
    • Year and Date
      2016-06-20 – 2016-06-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水平冷却面上の水滴の凍結に関する数値シミュレーション2016

    • Author(s)
      萩原 良道
    • Organizer
      着氷研究会
    • Place of Presentation
      吹田市関西大学
    • Year and Date
      2016-05-30 – 2016-05-30
  • [Presentation] The solidification of water droplets impinging on a cooling horizontal plate2016

    • Author(s)
      R. Kimura and Y. Hagiwara
    • Organizer
      9th International Conference on Multiphase Flow
    • Place of Presentation
      イタリアフィレンツェ市Firenze Fiera
    • Year and Date
      2016-05-24 – 2016-05-24
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 潜熱蓄熱・化学蓄熱・潜熱輸送の最前線 第Ⅴ編 潜熱輸送2016

    • Author(s)
      萩原 良道
    • Total Pages
      8
    • Publisher
      株式会社シーエムシー出版
  • [Remarks] 京都工芸繊維大学輸送現象制御学研究室

    • URL

      http://www.cis.kit.ac.jp/~kitagawa/

URL: 

Published: 2018-01-16  

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