2018 Fiscal Year Research-status Report
固液界面に吸着した分子膜に起因する層構造の成長過程と潤滑への寄与の解明
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18K05058
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
久田 研次 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (60283165)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平田 豊章 福井大学, 学術研究院工学系部門, 講師 (30800461)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 局所粘度 / 金属－アルカン界面 / 水晶振動子 / レゾネータ測定 / 周波数変調原子間力顕微鏡 / 吸着分子膜 / 脂肪酸 / アドミッタンス解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）溶剤系における分子膜が吸着した電極表面における局所粘度の評価が可能な水晶振動子測定システムのセットアップ
溶液中での水晶振動子のアドミタンスの周波数特性から、電極近傍での流体粘度（吸着分子膜から流体へのエネルギー散逸量）を定量することが可能である。これまで利用してきたネットワークアナライザでは装置由来の位相のずれが存在することが解析の障壁となっていた。新たに導入したネットワークアナライザを既存装置に組み込み、アルカン溶液に浸漬した水晶振動子のレゾネータ測定のためのセットアップを行った。その結果、これまで見られていた共振ピークにおける位相のずれが解消され、対照的なコンダクタンス曲線が得られるようになった。これにより、本課題で研究対象としている金属－流体界面の局所粘度に焦点を当てた解析の信頼性が向上した。基油にヘキサデカンあるいはテトラデカンを用い飽和脂肪酸を添加した場合、脂肪酸の鎖長および濃度に依存して局所粘度の増大が観測された。ヘキサデカン酸を0.2 wt%添加したヘキサデカン中で共振を継続すると、浸漬直後の局所粘度が24時間後には29倍にまで増大した。
（２）周波数変調原子間力顕微鏡観察（FM-AFM）による電極近傍の吸着分子膜の可視化
水晶振動子の電極近傍に形成される吸着分子層のFM-AFMにより観察した。ヘキサデカン酸を0.1～0.2 wt%添加した場合にCu電極近傍の局所粘度増加が顕著であったため、この系において界面に形成される層構造をFM-AFM観察を行った。流体を電極に接触させた直後から、電極表面にバルク相よりも強い相互作用を示す吸着層が観察された。30分～１時間の短時間領域では電極から数nmの範囲で吸着構造の緻密化が進行した。水晶振動子のずり変形を継続すると、相互作用の低い層構造が少なくとも300 nmまで成長していることを観測した。
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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
溶剤系における分子膜が吸着した電極表面における局所粘度の評価が可能な水晶振動子測定システムのセットアップは当初計画通り完了し、脂肪酸のアルカン溶液についてのデータ蓄積が順調に進んでいる。研究協力者と連携して、局所粘度が増大した際に膜厚300 nm以上の層構造が成長していることを観察できた。柔軟なアルカン溶液でこのような大きな膜厚の層構造形成を観測したことは大きな進展である。
水晶振動子の共振周波数減少に対して、粘度増加に伴う周波数シフト分を補正し、金属に強く吸着した分子層の重量を見積もることも検討しているが、現状では共振周波数の測定精度が不足している。この点が当初計画より遅れている部分ではあるが、層構造の観察において予定以上の成果が得られたため、全体としては概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画に従って以下のとおり推進していく方針である。
＜QCM測定における粘度効果の補正＞水晶振動子を空気中から流体中に移動したときの共振周波数の変化には、電極表面への物質吸着による項と電極表面の局所粘度の変化による項の和で表される。我々の測定では水晶振動子の共振抵抗から高周波数領域での局所粘度から粘度による共振周波数変化を見積もることができるため、粘度の影響を排除した物質吸着量を見積もることを検討する。
＜多様な添加分子による吸着層の形成と局所粘度変化の相関＞金属－流体界面に介在する吸着層の集合構造や運動性によって金属－流体間相互作用が変化すると考えられる。そこで、添加剤の分子構造ならびに吸着層の形成法を変えて水晶振動子のアドミッタンス解析ならびにFM-AFM観察を行い、流体相と吸着層の間の相互作用に関して網羅的に解析する。
＜表面性試験機と水平力顕微鏡（LFM）による摩擦力測定＞水晶振動子測定に用いたのと同じ組成の流体層（アルカン＋添加剤）を潤滑剤としたときの潤滑特性（摩擦係数および破断強度）を、走査プローブ顕微鏡の一種である水平力顕微鏡（LFM）ならびに機械工学分野で使用される表面性試験機を用いて測定する。これら二つの測定手法を用いた潤滑特性と前項で明らかにした吸着層の構造および流体との相互作用の相関をとり、金属表面近傍で形成される吸着層がいかにトライボ特性に影響するかを明らかにする。
＜温度可変水晶振動子アドミッタンス解析＞流体に溶解している鎖状分子の金属界面への吸着は、界面活性剤の気水界面への吸着と同様に界面とバルクで平衡状態にあると考えている。そこで、水晶振動子アドミッタンス解析により求められる局所粘度や吸着量の温度依存性から、吸着層形成の熱力学パラメータ（ΔHおよびΔS）を求め、吸着層の形成メカニズムについて考察する。
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| Causes of Carryover |
申請時に購入予定であった水晶振動子測定システムの導入について交付決定額に応じて再検討した。申請物品を購入した場合には、実験を推進するために必要な消耗品の経費を確保できないため、本課題の推進に必要な機能において当初購入予定機器と同水準の性能を有するネットワークアナライザへと導入機器を変更した。この機器変更によって余剰金が発生したため、次年度使用額が生じた。これについては、次年度以降に計画している網羅的解析に必要な試薬および測定消耗品の購入に充てる予定である。
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