2020 Fiscal Year Research-status Report
界面張力・流れ分布計測による自己駆動系の運動機構評価
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20K05444
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
野本 知理 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (00510520)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 界面張力 / 界面 / マランゴニ流 / アクティブマター / 自己駆動系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は界面が関与する自己駆動系で重要となる不均一な界面張力と表面の流れの時間依存性・空間依存性について，界面張力変化源直近から評価可能な測定手法を開発することで，未だ不確定性要素が多い自己駆動系の駆動機構検証を可能とし，自己駆動系設計に対して実験的フィードバックをもたらすことを目的としている。
従来，申請者らは界面張力分布と流れの関係についての知見を得るため，固体・液体の界面活性分子供給源を界面に設置して界面張力や流れの位置依存性測定を行ってきた。しかし，この方法ではメニスカスの界面変形があり，物体直近における測定が困難になっていた。そこで今回，光反応で界面活性が変化する分子を用い界面張力の非接触制御を行うことで，界面活性分子供給領域からその周辺領域に至るまでの界面張力位置依存性やマランゴニ効果について議論するための研究を行っている。本年度は，光反応で界面活性が変化する分子として4,4’-および3,3’-アゾベンゼンジカルボン酸を用い，光照射に伴う界面張力変化の検出，および界面張力変化にともなう流れの発生の確認のための実験を行った。これらの分子によるシストランス異性化や界面張力変化については報告例もなかったことから，まずは紫外光や可視光照射に伴う界面張力変化についてQELS法による測定を行い，さらに光照射に伴う流れの検出について粒子観察による測定を行った。測定の結果，アゾベンゼンジカルボン酸は紫外光を照射してシス体になることで表面張力が低下し，可視光照射でトランス体になることで表面張力が上昇することが明らかになった。また光照射を行いながら粒子観察を行うことで粒子の動きが確認されたことから，熱や界面張力による流れ測定の検証は行うことができた。今後配置の工夫などを行うことで界面張力変化と流れの関係の議論を行っていく予定である。
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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
本研究において，不均一な界面張力分布計測と流速分布の時間依存性・位置依存性についての測定を行っていくため，本年度は，光反応で界面活性が変化する分子として4,4’-および3,3’-アゾベンゼンジカルボン酸を水酸化ナトリウム水溶液に溶解し，光照射に伴う構造変化による吸着状態の変化に伴う界面張力変化の検出，および界面張力変化に起因する流れの発生の確認のための実験を行った。多くのアゾベンゼン誘導体は紫外線照射によりシス体に，可視光(青色光)照射によりトランス体に変化する。今回のアゾベンゼンジカルボン酸についても同様の傾向を示し，紫外光を照射しながら表面張力測定を行ったところ表面張力の低下も観測された。逆に紫外光を長時間照射してシス体に変化させた後に青色光を照射すると表面張力の上昇が観測され，光照射による表面張力制御が可能であることが確認できた。ここで，光照射に伴って熱も発生することから，吸着状態変化による界面張力勾配に伴う流れと浮力効果による熱対流の分離を行う必要がある。光異性化による表面張力変化は一定以上の光強度で飽和したこと，熱対流による流れは光照射点から外向きに発生することから，光照射で表面張力が上昇するシス→トランス異性化を利用し，また照射強度を弱めて熱の影響を小さくした。現在のところは粒子観察における動きは観察されているが大きな流れは観察されていない。
ゆえに，光による界面張力制御を行うという点では概ね予定通りといえる一方，流れ計測については配置の工夫など，さらなる工夫を行うことで今後界面張力変化と流れの関係の議論を行っていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では界面自走現象の源となる表面張力低下について，表面変形を伴わないように検出を行うことで，表面張力分布や表面流れについての議論を行うことができるようにすることを目指している。表面の物体接触に伴ったメニスカスによる界面変形の影響を受けずに表面張力不均衡の位置依存性計測，界面流れの計測を行っていくため，今後は光異性化反応などの光反応で界面活性が変化する分子による測定についてもさらなる工夫を行っていく。使用するアゾベンゼン誘導体についてもここまでで使用してきたアゾベンゼンジカルボン酸だけでなく，長いアルキル鎖が結合した分子を表面吸着させて単分子膜を作製するなど，表面張力変化を大きくして大きな流れを観測できるようにする工夫を行っていきたい。さらに接触を伴わない界面張力制御方法として，光反応による表面張力変化だけでなく，温度による表面張力制御や電場による表面張力制御など，他の方法を用いた表面張力制御も試みていく。また従来，申請者らが使用している準弾性レーザー散乱法(QELS法)では表面変形に伴う散乱角変化や集光状態の変化によって解析を行うことができなかったが，散乱角変化については表面の傾き変化から補正できる可能性がある。そこで接触により変形した界面についてもレーザー変位計などを用いて表面形状を把握すればQELS法を適用した表面張力測定や表面流れ測定が行えるかもしれない。ゆえにレーザー変位計などを導入して場所による液高の違いを計測することで表面形状の把握を行う方法を試み，QELS法による界面張力測定結果の補正方法の開発についても進めていきたい。
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| Causes of Carryover |
本年度の研究遂行においては大部分で既に調達済みの装置を使用し，新規装置調達についても仕様検討など慎重に行っているため本年度の発注とならなかった。さらに試薬類についても共同研究等による提供があったため次年度使用額が生じた。旅費についても新型コロナウイルス感染症対応で多くの学会にてオンライン開催となったため発生しなかった。次年度は学会参加費，試薬や光学部品，レーザーを用いた界面形状把握のための装置など研究進展に伴って使用していく予定である。
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