2021 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of nano-local structure analysis method for crystalline polymeric materials using 4D-STEM
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20H02782
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
丸林 弘典 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (00723280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮田 智衆 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10838949)
陣内 浩司 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20303935)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 結晶性高分子 / 階層構造 / 走査透過電子顕微鏡 / 4D-STEM / 電子回折 / 結晶構造 / ラメラ晶 / 球晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ナノビーム電子回折法である4次元走査型透過電子顕微鏡（4D-STEM）法を用いて結晶性高分子のラメラ晶の時空間分布をナノメートルスケールで明らかにし、高分子の階層構造とその形成過程である結晶化の分子描像を得ることを目的とする。
第二年度（2021年度）は、階層構造の空間分布の計測に取り組んだ。階層構造として、高分子の球晶（ラメラ晶からなる球状の集合組織であり、結晶性高分子の典型的な高次構造）を対象とした。まず、4D-STEM観察に適した球晶とそれを含む超薄切片試料を調製した。熱処理条件を検討することで、約10マイクロメートル直径の球晶を調製し、ミクロトームを用いて連続切片を作製した。この時、広角X線回折・小角X線散乱測定により、結晶構造・積層ラメラ構造・結晶化度などの空間平均された構造情報も取得した。そして、観察対象の球晶を決定するために、連続切片の偏光顕微鏡による観察や、無染色試料の低ドーズ条件での透過型電子顕微鏡観察を行なった。さらに、4D-STEMの高分解能化のため、試料の電子線ダメージを考慮しながら、電子線照射条件の最適化を検討した。その結果、一桁ナノメートル分解能での高分子球晶の4D-STEM観察に成功した。特定の電子回折ピークを用いて暗視野像を再構成したところ、ラメラ晶の局所配向を反映して明瞭な明暗のコントラストが得られた。
尚、以上で得られた高分子球晶中のラメラ晶の局所配向を反映した暗視野像の詳細な解析は、並行して進めた最終年度（2022年度）の検討項目としたため、そちらの実績報告書を参照されたし。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本研究では、結晶性高分子について (1) 試料作製、(2) 4D-STEM測定条件の検討、(3) 階層構造の空間分布の解析、(4) 階層構造の時空間分布の解析、を3年間で行う。
第二年度（2021年度）は(3)について検討を行なったが、当初の予定（2021年度の1年間）通りに検討を終えることができなかった。その理由として、(i) 観察に適した階層構造を作ること、および (ii) 観察に適した電子線照射条件の最適化に想定よりも時間を要したことが挙げられる。(i)では、新たに用いた高分子の結晶化条件の決定と超薄切片の調製に時間を要した。(ii)では、分解能と電子線ダメージがトレードオフの関係にあり、新たに用いた高分子について最適な照射条件の決定に時間を要した。以上より、(3)について最終年度（2022年度）に引き続き検討を行なった。
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| Strategy for Future Research Activity |
【現在までの進捗状況】で述べた通り、(3)「階層構造の空間分布の解析」を最終年度（2022年度）まで延長し、(4)「階層構造の時空間分布の解析」と並行して検討を行なった。【研究実績の概要】で述べた通り、高分子球晶中のラメラ晶の局所配向を反映した暗視野像の詳細な解析を、最終年度（2022年度）の最優先事項とした。そのため、(4)「階層構造の時空間分布の解析」を予定通り終えることはできなかったが、(3) で予想とは異なる有益な知見が得られた。詳細は、最終年度（2022年度）の実績報告書を参照されたし。
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