Investigation of active matter mechanics by surface plasmon resonance observation

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K18816
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 渡部 正夫 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30274484)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 一道 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140) ; 藤井 宏之 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00632580)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: アクティブマター / 漏れ全反射観察 / エバネッセント波 / 表面プラズモン共鳴 / 濃度分布計測 / マイクロ流体システム

Outline of Annual Research Achievements

本研究で検討するアクティブマターは，溶質の固体表面上の濃度分布により自走する，溶液とは非混和性の液滴である．着目しているアクティブマターのメカニズムは「液滴表面における溶質の吸着分布の不均一によるMarangoni効果によって液滴が運動する」と提案されているが詳細は不明である．本研究の目的は，アクティブマターを用いたマイクロ流体システムを開発するために，アクティブマターのメカニズムを解明することである． 令和元年９月，使用していた本研究室所有のYAGレーザーが故障し発振が不安定となったため，研究内容を変更し，以下の２事項に着目して検討した．
１．プリズム表面に衝突する液滴と固体表面とに挟まれた気膜厚さ計測：エバネッセント波潜り込み深さの理論値と，球面レンズをプリズム上面との気膜厚さの理論形状を比較することにより，漏れ全反射画像によって得られる反射強度変化を用いて，気膜厚さの定量的評価を行った．得られたデータを用いて，プリズム表面から100nm以下の液滴-プリズム間気膜厚さの空間分布と時間変化の定量評価に成功した．
２．プリズム表面へ衝突直前の液滴表面形状の経時変化の検討：液滴がプリズム表面に衝突する直前の液滴表面形状の経時変化を観察した．プリズムと液滴との衝突は必ずしも１点の接触によって開始するものではなく，２点が先端化しほぼ同時に２点で接触し，その中間に空気層がトラップされる過程を観察することができた．液滴表面がプリズムに接近する速度は，0.001m/s～0.01m/s程度であると推定された．この値は液滴の平均落下速度0.34m/sに比較して極めて小さく，液滴衝突の直前には気膜内に比較的大きな圧力が生じていることが考えられる．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和元年９月，使用していた本研究室所有のYAGレーザーが故障し発振が不安定となった．当該機器はすでにサポート終了のため修理が不可であるため高速度カメラを用いた撮影が不可能となった．表面プラズモン観察を行うためには高強度光源が必要不可欠であるため，研究計画を変更し低強度光源で実現可能な漏れ全反射顕微鏡観察を行った．本年度は表面プラズモン計測の基礎となるエバネッセント波を用いた漏れ全反射顕微鏡観察を中心とする以下の２項目について検討を行った．
１．プリズム表面に衝突する液滴と固体表面とに挟まれた気膜厚さ計測：エバネッセント波潜り込み深さの理論値と，球面レンズをプリズム上面との気膜厚さの理論形状を比較することにより，漏れ全反射画像によって得られる反射強度変化を用いて，気膜厚さの定量的評価を行った．得られたデータを用いて，プリズム表面から100nm以下の液滴-プリズム間気膜厚さの空間分布と時間変化の定量評価に成功した．
２．プリズム表面へ衝突直前の液滴表面形状の経時変化の検討：液滴がプリズム表面に衝突する直前の液滴表面形状の経時変化を観察した．プリズムと液滴との衝突は必ずしも１点の接触によって開始するものではなく，２点が先端化しほぼ同時に２点で接触し，その中間に空気層がトラップされる過程を観察することができた．
しかしながら，表面プラズモン観察システムを構築するためには，漏れ全反射観測システムだけでは不完全であり，表面プラズモンを発生させるために，全反射光学システムの観察部に金薄膜を蒸着した基盤を設置する必要がある．表面プラズモンの発生を確認し，溶質濃度によって全反射光の屈折角がどの程度変化するかを確認し，溶質濃度と屈折角との関数を求めるまでを本年度の到達目標としていたが，本年度は漏れ全反射観察が十分な精度で行えることを確認し，光学システムの基本部分の構築に留まった．

Strategy for Future Research Activity

これまでに，構築された装置を用いて，本年度に引き続いてアクティブマターのメカニズムを検討する．
1. 表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムの構築：本年度までに構築された基本光学システムと改良し，表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムを構築する．表面プラズモン共鳴の共鳴条件が，基板表面の状態に敏感に変化することを利用して，入射角を固定することで基板表面に吸着した溶質濃度分布を反射率の関数として 光強度分布として定量化する．溶質吸着濃度と反射率との関係を求め相関関数を求め，固体表面における溶質吸着濃度分布を評価する．
2. 単一アクティブマター運動の解析：得られた表面プラズモン共鳴観察結果から，アクティブマター近傍の溶質吸着濃度分布の時間発展を可視化しアクティブマターの駆動力を評価する．アクティブマターの主要な駆動力は，接触線近傍での溶質濃度差であると考えられているが，様々な不均一性に起因するランダム運動を発現する．このランダム運動の発生原因を特定し定量的に評価する．そのために，溶質の基板表面上の吸着濃度分布の時間変化を詳細に計測し，アクティブマターの運動と溶質濃度分布の不均一性との関係を考察する．
3. 複数アクティブマターの秩序状態とメカニズムの解明：複数個のアクティブマターの運動による溶質吸着濃度分布の時間発展を観察し，アクティブマターの協同運動を定量的に評価し，メカニズムを解明する．アクティブマターの自己推進能を利用してマイクロ流体システムを構築するためには，アクティブマターが協同的に運動することが不可欠である．そのため，二つのアクティブマターの間に働く相互作用を，溶質吸着濃度分布の時間変化を元に考察する．

Causes of Carryover

本年度は表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムを構築する予定であったが，令和元年９月，使用していた本研究室所有のYAGレーザーが故障し発振が不安定となった．当該機器はすでにサポート
終了のため修理が不可であるため，高速度カメラを用いた撮影が不可能となった．本事業では高強度光源が必要不可欠であるが，同等品の新規購入は配分された研究経費予算を超過することが判明した．そのため，次年度に配分される運営費交付金を不足分に充当することで，同等品を購入し事業を継続する．そのため，本年度計画していた，表面プラズモン共鳴観察システムが開発未達となっている．表面プラズモン共鳴観察システム構築のためには，基板表面に吸着した溶質濃度分布を反射率の関数として 光強度分布として観察することが必要となり，そのための光学システムを構築するために，次年度使用額を使用する．