2017 Fiscal Year Annual Research Report
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17H03117
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
吉澤 一成 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (30273486)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 接着 / 量子化学 / 第一原理計算 / 水素結合 / 分散力 / 静電相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
接着現象がどのような相互作用に起因するのか，すなわち「物と物はどのようにしてくっつくのか」を詳細に理解することは，接着技術向上のためのよい道標になると期待される。しかしながら，接着剤と被着剤の界面相互作用を，実験的手法を用いて原子・分子レベルで解析するのは一般に困難である。一方で接着の原理について，量子力学にもとづく理論研究はそれほど多くなされていない。
今年度は，エポキシ樹脂とガラス表面および炭素繊維の接着相互作用を量子化学計算を用いて考察した。接着の起源を界面に働く分子間力に求める吸着説にもとづいて接着機構を研究するのには，分子レベルでの相互作用を正しく描写できる量子化学計算は有力な手段である。計算モデルの構築においては，接着が大気中で行われていることを踏まえた表面構造の考察が重要である。表面に吸着した水分子の存在を考慮した界面モデルを用いて，接着エネルギーおよび接着力を理論的に算出した。求められた接着エネルギーと接着力から，両者の接着における水素結合の重要性を提案した。
一方，エポキシ樹脂と炭素繊維の接着においては，親水性基を付与したグラファイト表面と疎水性のグラファイト表面を炭素繊維のモデルとし，接着エネルギーや接着力を算出した。その結果，炭素繊維の接着においても水素結合が支配的な役割を担っていることがわかった。さらに，PIEDA法にもとづくエネルギー分割計算により，エポキシ樹脂と炭素繊維の接着相互作用を詳細に解析した。親水性を付与したグラファイト表面の接着では，水素結合が存在するため静電相互作用の寄与が非常に大きい。また，分散力の寄与も無視できない。こちらは無極性のグラファイトと，ベンゼン環を含むエポキシ樹脂の炭素鎖との間に働くファンデルワールス力に関連付けられる。疎水性のグラファイト表面の接着では，主に分散力が接着相互作用に寄与する。
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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
今年度は，接着エネルギーや接着力を相互作用エネルギーに分割して解析を行っている。すなわち，この手法では，二分子間の相互作用エネルギーを静電項，交換反発項，電荷移動項，分散項 の4つの寄与に分割する。その結果，以下のような知見が得られた。
親水性を付与した表面の接着では，水素結合が存在するため静電相互作用の寄与が非常に大きい。また，分散力の寄与も無視できない。こちらは無極性のグラファイトと，ベンゼン環を含むエポキシ樹脂の炭素鎖との間に働くファンデルワールス力に関連付けられる。疎水性の表面の接着では，主に分散力が接着相互作用に寄与する。これらの知見は世界に先駆けて得られたものである。
接着界面モデルは，接着の原理を探究するために採用したもので，理想的な接着界面を想定している。現実の接着では材料表面の凹凸，接着剤の濡れの不完全性，接着剤の乾固に起因する内部応力など，接着強度を低下させる種々の要因が存在する。これらの影響を計算モデルに取り込むには大規模なモデル系の構築が必要となるが，計算コストの飛躍的な増大と分子間相互作用の適切な取り扱いが問題となる。この問題も，近年の計算機性能の向上や大規模計算を指向した計算理論の発展などにより解決しつつある。理論計算による分子レベルでの接着現象の理解は，新たな接着剤や被着材表面を設計するうえで大変有用である。今後，様々な系への応用が期待される。
以上のように，接着に関与する相互作用を量子力学的に解析し，どの相互作用の寄与が大きいのかを明らかにした点で，今年度の研究成果は当初の計画以上のものであると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
金属材料は一般に常温、空気中で表面に酸化被膜を形成し、その上に水酸基等の官能基の層を形成している。これらの官能基により空気中の水分子は吸着され、数原子層程度の水分子の層を形成すると考えられる。この水分子層を考慮したより現実的なモデルを用いて接着機構の解析を行い、水分子が接着機構や接着強度に与える影響に関する詳細な研究を展開する。表面に１分子層程度の水を吸着した金属表面と接着剤樹脂との接着機構を密度汎関数計算により解析し、接着剤樹脂がもつヒドロキシル基やエーテル基といった親水基と、金属表面の水酸基とが水分子を介して水素結合ネットワークを形成することを示す。この場合、表面の水分子が被着材と接着剤の界面の剥離に対して構造を緩和し、接着力に大きな影響を及ぼすと予想される。その結果、被着材表面に吸着した水分子は接着機構を変えて、接着による安定化のエネルギーや接着力に重大な影響を与えると考えられる。
また環境中の水によって樹脂自体も劣化し、接着の耐久性は影響を受けると考えられる。これらの研究の予備的結果は既に公表しているが，より大規模な現実的なモデルを用いて接着界面における水の影響について理論的解析を行う。接着剤としてエポキシ樹脂以外のものも考え、これらの成果を発展させる予定である。現実の接着では材料表面の凹凸，接着剤の濡れの不完全性，接着剤の乾固に起因する内部応力など，接着強度を低下させる種々の要因が存在する。
これらの影響を計算モデルに取り込むには大規模なモデル系の構築が必要となる。この問題は，近年の計算機性能の向上や大規模計算を指向した計算理論の発展などにより解決しつつあり，理論計算による分子レベルでの接着現象の理解は，新たな接着剤や被着材表面を設計するうえで大変有用であると考える。
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[Journal Article] -CAM Mechanisms for the Hydrogenation of Alkenes by cis- and trans-Disilametallacyclic Carbonyl Complexes (M = Fe, Ru, Os): Experimental and Theoretical Studies2017
Author(s)
K. Miyamoto, A. Tahara, Y. Sunada, H. Tutumi, R. Inoue, H. Tanaka, Y. Shiota, K. Yoshizawa, and H. Nagashima
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Journal Title
Bulletin of the Chemical Society of Japan
Volume: 90
Pages: 613～626
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] solation and Phototransformation of Enatiomerically Pure Iridium(III) Bis[(4,6-difuorophenyl)pyridinato-N,C2]picolinate2017
Author(s)
Y. Wang, T. Harada, Y. Shiota, K. Yoshizawa, H. Wang, S. Wang, X. Ye, M. Ogasawara, and T. Nakano
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Journal Title
RSC. Adv.
Volume: 7
Pages: 29550～29553
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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