2016 Fiscal Year Research-status Report
コロイド微粒子混合系の偏析による超規則構造を用いた方向性光エネルギー移動
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16K05911
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
土田 亮 岐阜大学, 工学部, 教授 (60183076)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | コロイド微粒子混合系 / 偏析 / 超規則構造 / 光エネルギー移動 / 乾燥散逸構造 / 自己組織化 / コロイド結晶 / 合金結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コロイド混合微粒子水分散液における合金結晶形成と偏析現象を用いて、自己組織的に超規則構造を発現させ、方向性の有る光エネルギー移動を実現する目的のため、初年度においては、シリカ、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルの３種類の単分散コロイド粒子について、１）滴下する液量、２）分散液の濃度、３）乾燥温度、４）コロイド粒子の種類、５）分散媒の種類、のパラメータを変化させながら、自己組織化による散逸構造発現を実施した。単一微粒子系、合金結晶系、超規則構造系において発現する乾燥パターンの評価を行うため、評価方法として、動径分布関数や２次元フーリエ変換の効率的利用体制を確立した。更に、コロイド微粒子に色素を吸着させ、それらを混合した系で蛍光発光特性を評価した。これらより、光エネルギー移動の指向性の程度を評価する方法の目処が確立された。具体的な成果としては、１．粒径または粒子密度の異なる２種類のコロイド微粒子の混合系において、発現する乾燥散逸構造をCCD顕微鏡、共焦点顕微鏡、走査プローブ顕微鏡を用い、結晶化及び偏析の定量的評価を実現した、２．発現した乾燥散逸構造の表面と裏面、中心部と外周部で大きな偏析効果が見られた、３．この偏析効果を目視でも検証できるようにするため、片方の微粒子を色素で着色し乾燥散逸構造を発現させた。この結果、肉眼でも微粒子の偏析が一目瞭然に評価できる様になった。４．乾燥散逸構造の発現温度を室温から摂氏70度まで変化させ、偏析効果の発現に液対流が大きく寄与していることを明らかとした。５．分散液中に発現したコロイド結晶にNd:YAGレーザーの２次高調波を照射し、空間的コヘレンシーのある発光を観測した。再現性を更に確認する必要があるが、これにより方向性の有る光エネルギー移動が実現可能であることが示された。
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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
初年度における研究計画は、微粒子最密充填結晶構造の直接観察として３種のコロイド微粒子それぞれについて、十分な脱塩によりコロイド結晶を発現させることを目的とした。コロイド微粒子は、それぞれ密度、屈折率、表面特性が異なるものが選ばれており、大きな偏析効果や色素吸着効果が得られる。コロイド結晶の発現は彩光色より肉眼でも確認できるが、反射スペクトル測定より結晶の格子定数を簡便に、そして定量的に評価可能である。コロイド結晶は、その構成粒子間隔がちょうど光の波長領域にあるため、結晶面間隔を反射スペクトルより計算で求めることができる。距離スケールは千倍ほど異なるが、X線結晶回折と同様な方法である。具体的実験方法としては、ガラス基板上にコロイド分散液を滴下し、これの自然乾燥による散逸構造の発現を様々な条件下で直接観察することである。この間、CCD顕微鏡による乾燥パターン変化のビデオ録画、時間分割反射スペクトル測定によるブラッグピーク波長の変化測定を同時に実施した。反射スペクトルは0.5 mmの空間解像度を持ち、発現パターン各位置での測定を行える。コロイド結晶を発現したPMMA微粒子水分散液液滴の、乾燥に伴うブラッグ反射ピークの変化を見ると、最初600 nm領域にあった反射ピークが、連続的に短波長シフトした。これはすなわち、分散液が結晶を発現したまま乾燥して、最密充填構造を発現している事を示す。これら、本研究課題申請時に初年度の目標としたものが、全て実現できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は当初の研究計画どおり、次年度以降の研究を進める。具体的には、微粒子混合系で発現させた合金結晶、及び偏析による超規則構造結晶の散逸構造パターンを走査型プローブ顕微鏡（SPM）により観察し、その粒子配列に関する情報を得る。パターン断面からの測定にはSPMのカンチレバーは適当でないので、これについては次年度以降、低真空走査型電子顕微鏡（SEM）の導入を待ち測定を実施する。粒子の配列の程度については、動径分布関数を求めるか、画像の二次元フーリエ変換のパワースペクトルのピーク高さ及び半値幅より定量的に評価する。
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