2020 Fiscal Year Annual Research Report
Time-temperature Superposition Principle at Nano-scale Verified by Nanorheological Atomic Force Microscopy
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19H02771
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中嶋 健 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90301770)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノレオロジー原子間力顕微鏡 / 温度時間換算則 / ガラス転移現象 / 粘弾性測定 / シフトファクター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では研究代表者がこれまで開発してきたナノ触診原子間力顕微鏡（AFM）およびその発展型であるナノレオロジーAFMを用いて、高分子物理学における基礎法則のひとつである温度時間換算則がナノスケールで成立するのか否かを調べる。そのために必要な装置開発も本研究の範囲内で行う。予備的な検討では、換算周波数が同じで空間全体で平均化した弾性率や損失正接の値が互いに一致する場合でも、単に周波数を高くする実験と低温に試料を持ち込んだ場合では、ナノスケールの各点での高分子鎖セグメントダイナミクスに違いがあり、平均値の周りでの「ばらつき」の程度が異なることがわかっている。換言すれば、ガラス転移現象は空間的な不均一性が増幅される現象なのではないかとの仮説に至ったことになる。
本研究では、この予備検討を確実にし、この仮説を検証するため、最大６桁に及ぶ広帯域測定が可能な温度可変ナノレオロジーAFM第三世代を開発し、この現象の解明を行う。本手法では周波数帯域での測定が可能であるので、巨視的な粘弾性測定（DMA）で通常行うマスターカーブの作成を一定温度で実現できる。ここに温度制御を組み込むことで、真の意味での「シフトファクター」を算出できることになる。「シフトファクター」は線形粘弾性理論の基礎中の基礎であり、それが従来よりも精密に計測できることで、この理論の根底を実験的に検証することが可能となる。ナノスケールの「分散地図」を作成するという最終目的への重要なマイルストーンである。
二年度である本年度は第三世代装置開発および現有の第二世代を用いた研究を行った。それぞれについては次項目で詳細を説明する。
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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
二年度である本年度は第三世代装置開発および現有の第二世代を用いた研究を行った。第一世代のナノレオロジーAFMでは試料下部にアクチュエータを設置し、試料を加振したが、それでは温度制御が不可能なため、第二世代ではカンチレバーを加振する方式に変更し、温度可変な装置を実現した。ただそのために広帯域性を犠牲にすることとなった。その際、カンチレバー背面のピエゾ素子は、業者から購入できるオプション品をそのまま用いたため自由度に欠けた。本研究で目指す第三世代は、周波数も広帯域でかつ温度制御も可能な完全な装置であり、カンチレバーホルダを自身で改造することで実現されるが、まだ完成には至っていない。一方で、本年度、制御系を見直すことで、測定時間の大幅短縮および測定精度の向上を実現することができ、より信頼性の高い計測技術として進化させることができた。
本研究では装置開発とともに第二世代を用いた科学研究を継続することも目的としている。第二世代は温度可変性の追加のみならず、カンチレバー加振方式に変更したことにより、試料側にさまざまな工夫を施せる。例えば試料を巨視的に伸長した状態で粘弾性の測定を行うことができる。本年度は部分相溶系を対象に研究を進めた。２種類の高分子を混合した場合、それらが完全に非相溶の場合、マクロな粘弾性信号はそれらの単純な重ね合わせとなるが、部分的に相溶する場合は、各相からの応答が純粋な物質からの応答とは既に異なるため、マクロな粘弾性信号を予測するためにナノレオロジーAFMの結果が必須となる。特にその応答が周波数依存性をもつ動的不均一を示す場合は広帯域での測定がどうしても必要である。今回、２種類のゴムをブレンドした試料でそれを確認し、論文にまとめることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度・二年度にはカンチレバーホルダを改造することで第一世代・第二世代の双方の特長を十分に活かせる第三世代を開発する予定であったが、問題点の抽出は完了したもののまだ成功には至っていない。最終年度にはこの取り組みを完成させたい。
一方、上述のように第二世代を用いて、伸長下にあるゴム材料の不均一構造のナノスケール粘弾性・動的不均一性を有する試料を測定することに成功し、論文発表まで展開することができた。これらの内容はまだまだ行えることがあるため、引き続き検討を続けていきたいと考えている。
特に特殊な分散地図を描くことができそうな後者の試料については二年度に購入した射出成型機を活用していく予定である。一つの応用がこの部分相容試料を対象にした研究で、溶媒ブレンドと機械ブレンドを比較するような検討が行える。
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