粒子試料支持体への応用に向けたカーボンナノチューブヤモリテープ強力接着機構の実現

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02029
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 平原 佳織 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40422795)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: カーボンナノチューブ / 接着 / ヤモリテープ / 衝撃吸収特性 / 高速接触 / 粒子捕集

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、カーボンナノチューブ（CNT）からなるヤモリテープを粒子状固体に対して効率よく強固な接着を実現するために、高速での接触による接着機構を提案し、その有用性の実証を進めてきた。最終年度では、配向したCNTに対して高速接触する粒子状固体の接着機構および配向形態との関係を理解するための微視的・巨視的な実験・解析に取り組んだ。
まず、電子顕微鏡内でマニピュレータを用いて、約50umのポリスチレンマイクロビーズを配向CNTにゆっくり押し込んだとき(<10um/s), 高速で押し込んだとき（高速負荷, 約9m/s）、押し込んだビーズを引き離しながら実際に垂直接着力を計測した。この一連の押し込み－引き離し過程において、配向CNTの変形挙動をリアルタイム観察した。その結果、CNTのなすネットワーク構造の座屈する領域やその大きさが変形速度により異なることが分かり、高速負荷時のみ接着界面近傍でCNT高密化が生じていることが接着力向上に反映されていることが示唆された。一方、CNTヤモリテープに高速で衝突するステンレス球の接着・捕集機構についてもこれまで調べてきたが、配向CNTの形態の及ぼす影響を明らかにし、捕集効率を向上させる試みとして、様々な形態の配向CNTに対して1mmのSUS球を衝突させた。その結果、CNTの成長高さを従来の1.5倍以上とすると、捕集される衝突速度域は変化しなかったが従来20%程度の捕集確率が>50%を超えることが分かった。高速負荷時の接着特性には接着力に加えて配向CNTの衝撃吸収特性が支配的であることが示唆されており、それとの矛盾はないが、衝突時にCNTを伝播する撃力の計測から、貫入後CNT底面近傍に到達するまでよりも、底面で反発した後SUS球が配向CNT内部で振動することによるエネルギー散逸が接着可否に影響することが示唆された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Remarks

これらのプレスリリースは宇宙物質解析に関する共同研究の成果発表だが、本研究課題にて接着力向上に取り組んできたCNTヤモリテープを活用して不定形粒子を接着支持できたことによって一連の解析過程の初期段階における高精度なデータ取得に成功し、これらのような成果を得るに至る礎の役割を果たしている。

Research Products

• [Journal Article] Insight into multi-step geological evolution of C-type asteroids from Ryugu particles (2023)
  • Author(s): A. Yamaguchi, N. Tomioka, M. Ito, N. Shirai, M. Kimura, R. Greenwood, M.-C. Liu, K. McCain, N. Matsuda, M. Uesugi, N. Imae, T. Ohigashi, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, K. Hirahara, I. Sakurai, I. Okada, Y. Karouji, S. Nakazawa, T. Okada, T. Saiki, S. Tanaka, F. Terui, M. Yoshikawa, et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 7 Pages: 398～405
  • DOI: 10.1038/s41550-023-01925-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A history of mild shocks experienced by the regolith particles on hydrated asteroid Ryugu (2023)
  • Author(s): N. Tomioka, A. Yamaguchi, M. Ito, M. Uesugi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M.-C. Liu, R. C. Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, K. Hirahara, I. Sakurai, I. Okada, Y. Karouji, K. Okazaki, K. Kurosawa, T.Noguchi, A.Miyake, M.Miyahara, Y.Seto, T. Matsumoto, Y. Igami, et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41550-023-01947-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A pristine record of outer Solar System materials from asteroid Ryugu’s returned sample (2022)
  • Author(s): M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Shirai, T. Ohigashi, M.-C. Liu, R. C. Greenwood, M. Kimura, N. Imae, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, A. Tsuchiyama, M. Yasutake, R. Findlay, I. A. Franchi, J. A. Malley, K. A. McCain, N. Matsuda, K. D. McKeegan, K. Hirahara, A. Takeuchi, et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 6 Pages: 1163～1171
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01745-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling the particle capture performance by vertically aligned carbon nanotubes for a comet rendezvous sample return (2022)
  • Author(s): Serizawa Ryota、Yano Hajime、Takeda Yuki、Oizumi Shuto、Ishibashi Yukihiro、Arai Kazuyoshi、Li Yuexuan、Hirahara Kaori、Hirai Takayuki、Sun Yuchen、Kooi Steven E.、Nelson Keith A.
  • Journal Title: Advances in Space Research Volume: 69 Pages: 2787～2797
  • DOI: 10.1016/j.asr.2021.10.013
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ONE YEAR ON! A SUMMARY OF THE ANALYTICAL WORK ON RYUGU PARTICLES CONDUCTED BY PHASE2 KOCHI CURATION (2022)
  • Author(s): M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M.-C., Liu, R.C. Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, A. Tsuchiyama, M. Yasutake, R. Findlay, I.A. Franchi, J.A.Malley, K.A. McCain, N. Matsuda, K.D. McKeegan, K. Hirahara, A. Takeuchi, et al.
  • Organizer: MetSoc 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 小惑星リュウグウ表層粒子の衝撃変成 (2022)
  • Author(s): Richard,上杉健太郎, 中藤亜衣子, 与賀田佳澄, 湯沢勇人, 兒玉優, 平原佳織, 櫻井郁也,岡田育夫, 唐牛譲,岡崎啓史, 野口高明, 三宅亮, 宮原正明, 瀬戸雄介, 松本徹, 伊神洋平, はやぶさ２キュレーションチーム, 臼井寛裕, 渡邉誠一郎, 津田雄一
  • Organizer: 日本鉱物科学会2022年年会
• [Presentation] Application of carbon nanotube-based gecko adhesive tapes for aerospace materials science (2022)
  • Author(s): K. Hirahara
  • Organizer: 第63回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Hayabusa2 returned samples: Unique and pristine record of Solar System materials from asteroid Ryugu (2022)
  • Author(s): M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M-C, Liu, R.C. Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, A. Tsuchiyama, M. Yasutake, R. Findlay, I.A. Franchi, J.A. Malley, K.A. McCain, N. Matsuda, K.D. McKeegan, K. Hirahara, A. Takeuchi, et al.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会（JpGU2022）
  • Invited
• [Presentation] Chemical characteristics of Ryugu particles returned by the Hayabusa2 spacecraft (2022)
  • Author(s): N. Shirai, M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamguchi, N. Imae, T. Ohigashi, M-C. Liu, R.C. Greenwood, M. Kimura, S. Sekimoto, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, M. Yasutake, K. Hirahara, A. Takeuchi, I. Sakurai, I. Okada, Y. Karouji, T. Yada, M. Abe,
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会（JpGU2022）
• [Presentation] Characterization of organic materials in Ryugu particles and investigation for their origin and nature (2022)
  • Author(s): M. Uesugi, H. Yuzawa, T. Ohigashi, M. Ito, N. Tomioka, Y. Kodama, N. Shirai, K. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, M. Kimura, A. Nakato, K. Yogata, K. Hatakeda, A. Miyazaki, T. Yada, M. Abe, K. Hirahara, I. Sakurai, I. Okada, M.-C. Liu, R. C Greenwood
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会（JpGU2022）
• [Remarks] 小惑星リュウグウ：太陽系外縁部からの来訪者 多機関連携分析が読み解いた小惑星の記録
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2022/20220816_1
• [Remarks] 小惑星リュウグウの活発な地質活動の歴史が明らかに
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20230321_1
• [Remarks] 小惑星リュウグウ粒子の微小断層から読み解く天体衝突
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20230421_3