2016 Fiscal Year Research-status Report
EMSシステムを用いた液体表・界面の2次元粘弾性スペクトロスコピ－法の開発
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15K04722
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| Research Institution | Tokyo Denki University |
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Principal Investigator |
細田 真妃子 東京電機大学, 理工学部, 准教授 (40366406)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 粘性 / 表面流動場 / 2次元フラクタル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二年目になる本年は液体表面に形成される2次元的なフラクタル相の流動場下での形成過程と粘弾性を観察した。水酸化カルシウム水溶液を大気にさらしてしておくと溶液の表面が樹状の形状を持つコロイド凝集体で覆われる。これは溶液中の水酸化カルシウムと空気中の二酸化炭素とが反応して不溶性の炭酸カルシウムを生じ、これが表面上で結晶成長することで起こる現象である。この反応によって生じる炭酸カルシウム結晶のコロイド粒子は溶液表面上を2次元的にブラウン運動しながら衝突し結合することで、表面にフラクタル形状の凝集相が形成される。
実験ではまず、流動の有無がフラクタル相の形成にどのような影響を与えるかを顕微鏡で観察し、フラクタル構造の溶液濃度及び試料表面積への依存性を調べた。さらにディスク型EMS粘度測定システムによる回転流動がフラクタル形状にどのように影響するかを顕微鏡で観察した。その結果、流動下では流動がクラスターのフラクタル的な枝状の成長を抑制し、相は膜状にはならなくなることが確認された。また溶解度付近の濃度では流動速度を増加させても流動の遅いシャーレの内壁付近から徐々に膜状に凝集をはじめ、時間の経過によりその部分は流動しなくなることが認められた。一方、濃度が低い溶液では流動速度を大きくすると膜状にはならず、粒状化して流動し続けることが観測された。この結果を受け、フラクタル相が有する2次元の粘弾性をディスク型EMS粘度測定システムにより計測する試みを開始した。
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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
アルミ球だったプローブをアルミの円板にすることで試料の表面に浮かべたディスク型EMS粘度計の性能が確認されたことで、プローブが受けるトルクは試料の粘性によるものだけになり、低粘度領域でさらに高精度な測定が可能になった。また、プローブ円板が液体表面上に浮いていることから、試料のバルク粘性だけでなく表面の物性が測定できることになり、今回のような2次元フラクタル相の観測が可能になった。
以上の通り本研究は当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2次元における粘性測定において当初の計画通りの精度が実現できることが明らかとなったので、今後は実施計画に基づいてさらに各種表面分子層が有する表面粘弾性を計測する。当初は表面粘性計測のみを目標とし、磁場の一定速度回転のモードによりプローブの定常回転測定を行って表面粘性の表面圧・温度・分子鎖長への依存性を検証する。さらにこれらの諸条件が表面粘性に及ぼす影響を系統的に調べ、装置の性能と結果の妥当性を評価する。
その後、磁場を振動回転モードに切り替え、振動トルクに応答する回転子の振動の振幅と位相遅れから複素表面粘弾性、すなわち弾性と粘性の二つの物理量を分離して検出する試みを行う。試料としては当初、表面吸着量が滴下量によって一意に決定できる不溶性単分子膜を用い、これについて吸着分子密度と表面粘弾性の関係を定量的に評価できることを確認する。さらに対象を可溶性の単分子膜に拡張し、その吸着量と粘弾性の関係を測定する。この際の表面への分子吸着量の測定には、過去に申請者が開発した偏光解析を用いた表面分子密度測定システムを用いる。
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| Causes of Carryover |
当初の計画より進み、2次元フラクタル相の観測を行うことが可能になったため、これを優先して試薬の購入に予算を使用し、さらなる高性能化のためのディスク作製等を計画後半に行うこととしたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ディスクプローブ縁における液面形状の変形および2次元粘弾性値への影響を精密に観測するため、異なる直径のディスクプローブを用意する必要がある。非常に微細な加工になるため、マイクロ放電加工を用いる。この方法で直径0.3～1.0㎜、厚さ0.1㎜の円板プローブを各種加工・製作70万円使用し、残りを国内外研究者と討論を行うための旅費とする。
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