2019 Fiscal Year Research-status Report

Study on rheology of liquids with multiscale structures by means of high-frequency shear impedance spectroscopy

Research Project

Project/Area Number	19K03768
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	山口毅名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80345917)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松岡辰郎名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60252269)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	構造緩和 / 高粘性液体 / 粘弾性 / マルチスケール / 横波超音波
Outline of Annual Research Achievements	液体中における無電極水晶振動子の共振測定用試料セルを試作し，共振特性の測定を試みた．用いた水晶振動子はATカット，基本周波数が64.5 MHzのものである．振動子の両面を試料液膜に接触させ，液膜の外側から電極および接地面で挟み，ベクトルネットワークアナライザ(VNA)で複素反射率(S11)の周波数依存性を測定することによって，振動子の共振特性を測定した．試料液膜の厚さを0.1 mm程度にすることによって，試料の誘電応答を介して振動子の力学的共振を測定することができた．比誘電率20以上の高誘電率液体を試料とした場合には，用いたVNAの測定上限である3 GHzまでの共振を測定が可能であった．一方，比誘電率10以下の液体では，測定上限が1 GHz以下に留まったことから，低誘電率液体の測定のためには，試料セルや測定法の改良が必要である．この測定手法では，振動子を含む試料セルの電気的応答が試料の誘電応答に依存することから，見かけ上の電気的共振特性は，振動子の力学的共振特性のみならず，試料の誘電応答にも依存することになる．粘性と誘電率共に既知の複数の液体試料の測定から，試料の誘電応答が電気的共振特性に与える影響は，直列等価回路で近似でき，この等価回路パラメータを用いることで，真の力学的共振パラメータを算出できることを見出した．測定周波数帯で粘弾性緩和を示さないと期待される低粘性液体であるアセトニトリルを参照液体，これと誘電率の近いエチレングリコールを試料液体として，両者の共振周波数と線幅の違いからエチレングリコールの複素粘性スペクトルを算出したところ，既報の超音波緩和と同程度の緩和周波数を持つ粘弾性緩和が見出された．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度予定していた，高周波粘弾性測定装置の開発に関しては，概ね目途が付いたため，計画通り順調に研究が進んでいると判断している．
Strategy for Future Research Activity	令和2年度は，高周波粘弾性測定に関しては，研究対象とする試料液体を用いて，装置の改良をしつつ，解析用のデータ取得を試みる．研究対象試料のうち，高級アルコールとシアノビフェニル系液晶に関しては，誘電率が低いため，現状の装置では検出感度が低く，測定周波数上限が1 GHz以下に制限されている．そのため，電極面積を大きくして試料部の静電容量を大きくした試料セルを作成し，感度の増大と測定周波数域の拡大を図る．従来の測定手法で見られていた，メソ構造や並進配向結合に帰属される一番遅い緩和モードに加え，微視的な構造緩和に起因するモードが測定されることが期待されることから，両者の温度依存性を比較する予定である．長いアルキル鎖を持つイオン液体に関しては，試料が電気伝導性を有するため，振動子との電気的結合が強く大きな感度が得られることが期待される．一方で，非導電性試料における誘電的結合の補正がそのまま導電性試料に適用できるかどうかに関しては，実験的検証が必要である．シアノビフェニル系液晶に関しては，粘弾性測定の進捗状況に合わせて，偏光動的光散乱や超音波光回折などの，比較対象となる音響光学測定も進める．上記の実験的研究に加えて，巨視的粘弾性と微視的構造ダイナミクスの関係について，分子シミュレーションを用いた解析を行う．解析手法は我々がこれまでに開発した相互相関解析を中心とし，必要に応じて他の解析手法も開発する．また，誘電緩和などの他の緩和測定との実験的比較の解釈のため，他の実験的手法で見られる緩和ダイナミクスの微視的起源についても，分子シミュレーションを用いた解析を試みる．
Causes of Carryover	当該年度に使用する装置の故障があり、修理費の支出のため前倒し請求を行ったが、実験計画の最適化等によって、結果として支出額を当初計画と同程度に抑えることができた。次年度使用額は、当初計画通りに執行する予定である。