2021 Fiscal Year Research-status Report
Formulation of a dynamically correlated network model and investigations of dynamics in ultrathin polymer films
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20K05615
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
佐々木 隆 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (50242582)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ガラス転移 / 動的相関領域 / シミュレーション / 高分子超薄膜 / 過冷却液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はネットワーク状動的相関領域（DCN）という考えに基づいて、過冷却液体のガラス転移現象のメカニズムの解明を行い、高分子超薄膜の動的物性と熱物性のメカニズム解明を目指すものである。今年度は、①前年度に確立したプロトコルを用いてバルク材料に対する包括的なMonte Carloシミュレーションを行い、実験データとの比較検証を行った。さらに、②高分子自立超薄膜に対してDCNモデルを適用するモデルを構築した。また、③チップナノカロリメトリによりガラス転移ダイナミックス、および吸着過程の測定を行った。
①では、アルゴリズムの最適化を行い、高速で大規模計算を行った結果、DCNの平均サイズ、フラクタル次元、表面指数などの温度依存性を評価した。さらに分子性液体、および非晶高分子についての実験データ（緩和時間）との比較を行い、動的相関の結合エネルギーを評価した。その結果、実験データと非常によく一致すること、得られた動的相関エネルギーの値が妥当であることなどがわかった。さらに、ダイナミックスのエネルギー障壁がDCNの平均サイズがフラクタル次元の逆数でスケーリングされることがわかった。
②では、格子に自由表面を導入した自立超薄膜モデルを構築し、シミュレーションを行った。その結果、DCNのフラクタル次元や表面指数はバルク材料よりも小さくなること、またそれらの温度プロファイルはバルクと顕著に異なることがわかった。これらのことは、高分子超薄膜におけるダイナミックスの特異性を説明する上で重要な知見である。
③では、チップへの直接スピンコート法により初めて信頼できるデータを得る手法を確立した。これにより、動的ガラス転移温度や動的相関領域のサイズ、フラジリティなどの膜厚依存性を詳細に検討できる見通しができた。また、界面での相互作用を評価するための吸着実験も行い、吸着過程を直接測定できる手法を確立した。
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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
バルク材料については広汎な分子性液体、および高分子の緩和時間データについてDCNモデルの計算結果と非常によく一致したことは、予想外に良好な結果であった。シミュレーションで得られた平均DCNサイズの換算温度依存性は普遍的なマスター曲線として、温度軸のスケーリングを変更することで広汎な材料に適用できることを意味する。このようにバルク材料について本研究のDCNモデルの妥当性が示された点は重要な成果であるといえる。次に、DCNモデルの自立超薄膜への適用についても定性的には実験データを定量的に説明できる可能性が見通せるようになった点も重要な成果である。計算手順やパラメータの評価方法についてさらに改良すべき問題点も見出されたが、解決法はすでに見出している。チップナノカロリメトリによる高分子超薄膜の実験に関しては、前年度の試料のマウント手法についての問題点はすでに解決しており、現在はかなり安定的に信頼できる実験データを得られるようになった。以上を総合的に勘案すると、研究全体としてはおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は前年度あまり進まなかった高分子に特有のパラメータのDCNモデルへの導入を行う。次に、自立高分子超薄膜についてさらに最適化を行い、緩和時間の温度依存性やガラス転移温度の膜厚依存性などを評価し、実験データと比較する。同様の検討を基板表面に支持された超薄膜についても行う。このような支持膜では、界面のモデル化としていくつかのアイデアを検討する。また、界面での基板／高分子相互作用についてはチップカロリメトリで得た吸着実験結果を活用する予定である。さらに、支持膜については必要に応じて誘電緩和測定も行い、ダイナミックスの実験データの補足を行う。このようにして得られたデータ、および文献データをあわせて、DCNモデルの予測とのとの比較検討を行い、最終的に高分子超薄膜の動的物性と熱物性のメカニズム解明を目指す。
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| Causes of Carryover |
R3年度の一部の消耗品調達に関して他の予算によりまかなったため、支出額が若干少なくなった。R4年度においては消耗品費（輸入品）の値上げが予測されるため、繰越額をこれに充てる予定である。
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