2020 Fiscal Year Annual Research Report
粒子サイズ分布・弾性率・表面特性が同時解析可能な超音波散乱法の開発とその応用
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19H02776
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
則末 智久 京都工芸繊維大学, 材料化学系, 教授 (40324719)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超音波 / 散乱 / 微粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
濃厚溶液中のナノ・ミクロン微粒子の分散状態を、希釈・乾燥することなくそのままの状態で定量的に評価する超音波散乱法による構造・物性研究を展開した。この超音波散乱解析は、光散乱やX線散乱法と同様に微粒子から散乱する信号を捉え、運動状態やミクロ構造を解析する新しい手法である。本研究では、液体中に分散する微粒子の(1) 粒径分布、(2) 液中の粒子１個の弾性率に加えて、新たに(3)電場や力学的刺激に対する応答を同時に定量化できる超音波システムを開発し、ナノ粒子やポリマーを被覆した微粒子の被覆環境や分散安定性に関する新しい構造・物性研究を行った。
中でも2020年度は、超音波散乱法を駆使した主に３つの研究を行った。１つ目は、電気泳動動的超音波散乱（ESS）法を活用したイオノマー被覆カーボン微粒子のダイナミクスと構造解析である。数十wt%の濃厚系にも挑戦し、希釈観測することなく微粒子の電気泳動移動度の評価が行えるようになった。その技術を駆使して、純水やアルコール水溶液下における微粒子の階層構造形成や安定性に関する知見を得た。２つ目は、Oil（ヘキサデカン）in-Waterエマルションに化学修飾を施したシリカナノ粒子やポリスチレン粒子で安定化させたPickering エマルションの調製と超音波解析を行い、独自のコアシェル散乱モデルで解析である。この結果を元に、シリカ層の濃縮効果や、被覆率、安定性を明らかにした。３つ目は、液体中に浮遊する微粒子の粘弾性に関する研究であり、超音波の散乱解析としては従来エマルションには粘性のみが、固体懸濁液では弾性のみが考慮されていたが、新しく粘性と弾性の両方を考慮したモデルを用いてエラストマー粒子や耐衝撃粒子の１個の粒子の粘弾性解析を行った。
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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
当初の年度計画通り、ESSを活用したイオノマー被覆カーボン微粒子のダイナミクスと構造解析が行えた。純水やアルコール下における微粒子の階層構造形成や表面安定性に関する知見を得た。その一方で、濃厚系の泳動挙動は計測可能になった一方で現象の理解には努力を要する。そのような背景から、新しくモデル微粒子を用意して、高分子が被覆する微粒子の基本特性を解析する研究も新しくスタートした。Oil（ヘキサデカン）in-Waterエマルションに化学修飾を施したシリカナノ粒子で安定化させたPickering エマルションの調製と超音波解析を行い、独自のコアシェル散乱モデルで解析を行った。その結果をシリカ層の濃縮効果や、被覆率、安定性を明らかになった。これらの成果は現在査読制国際論文誌で審査中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでは、動的散乱法を駆使したサイズ分布解析、スペクトル解析による１個の粒子の弾性解析、さらには新しく構築した電気泳動法により様々な微粒子解析が実現した。これらはインクや化粧品分野で活用できる希薄系から濃厚系で使える解析技術になるはずである。今後の更なる展開としては、合成高分子のみならず、生化学的な応用や医療応用も期待できる。今後は例えば、モデル系としてタンパクを被覆したシリカ粒子に対し、超音波を用いた凝集体解析を行う。粒子の凝集を引き起こす駆動力として、塩などの物理凝集、熱焼結による粒子融着、表面修飾により導入した特定官能基のイオン結合もしくは化学結合があろう。それぞれの粒子が独立した空間中で粒子として振る舞う場合や、これらの粒子が集まった凝集構造になる場合が想定されるので、これらの力学伝搬解析に挑戦する。高速に高精度で凝集体を検出する超音波法を構築し、少量のゲスト分子で効率よくラテックス凝集を検出する方法論の開発も行う。
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