2014 Fiscal Year Research-status Report
量子電磁気力を利用したマイクロメカニズムの固着防止
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25390117
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
乾 徳夫 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70275311)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | カシミール力 / 界面 / 浮揚 / 熱揺らぎ / ブラウン運動 / 固着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
センサーのダウンサイジングにおいて摩擦がしばしば性能向上の妨げとなる．例として方位磁石を例に考える．市販の方位磁石は金属ピンの上に置かれ微小な磁気力でも回転できるようになっている．磁石の大きさを小さくした場合，磁気力の低下に対して摩擦力は大幅には減少しないため，金属間の凝着を上回る回転力が得られず，方位磁石の機能を失う．そこで，カッパッソらは量子電磁気力の一種であるカシミール斥力を用いて磁気円板を浮揚させることでこの問題の解決を図ろうとしている．しかし，この量子浮揚と呼ばれる技術は未だ実現していない．
本研究の目的は液液界面もしくは気液界面上で微小金属体を量子浮揚させることである．カシミール力は真空の電磁場が揺らぐことで生じる力であるが，揺らぎの起源は量子力学特有のゼロ点振動に伴うもので，電磁場の発生源を必要としない．今回，水とブロモベンゼンの界面およびブロモベンゼンと空気の界面に注目し，ブロモベンゼン中の金粒子に作用するカシミール力を計算した．計算に用いた粒子の半径が300 nmと小さいため，従来の近似法が使えず，近年開発された散乱行列法を用いることにより正確な計算が可能となった．その結果，水-ブロモベンゼン界面に近づくと斥力を受け浮揚することが分かった．また，ブロモベンゼン-空気界面ではより大きな斥力が発生し浮揚距離は長くなることが明らかとなった．
浮揚の実証に向け水-空気界面における金粒子のブラウン運動を観察する実験を行った．この系で生じるカシミール斥力はブロモベンゼン-空気界面の場合と比較して小さくなるが，揮発の問題を低減できる．昨年度までは不純物の影響で界面近傍において単一金粒子のブラウン運動を観察することが困難であったが，実験環境ならびに使用する器具の清浄度を上げることにより，浮揚状態のブラウン運動を観察ができるようになった．
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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
カシミール斥力を用いて物体を浮揚させ基板等との固着を防ぎつつ，微小物体のスムーズな運動を実現することが本研究の最終的な目的である．昨年度からカシミール斥力が働く場として，液液界面が有望であることが分かってきたが，さらに本年度の理論計算により気液界面で量子浮揚が起こり得ることが分かった．そこで，本年度から水空気界面上に単一金粒子を浮揚する実験を開始した．まず，単一粒子を長時間安定に観察するためには，制限された空間に閉じ込めておく必要があった．レーザートラップ方がしばしば用いられるが，レーザーの輻射圧は複雑であり，カシミール斥力との判別を困難にすると考え，液滴を用いることとした．この方法では重力により液滴の最下点に金粒子を捕獲できる．重力は金粒子に対して一定に作用するため，解析が容易になると期待される．実際に，半径0.3ミクロンメートルの金粒子を半径２ミリメートルの液滴に捕獲し，単一金粒子のブラウン運動を暗視野顕微鏡により観察することができた．金粒子は半径２０ミクロンの円内に閉じ込められ，理論とも良い一致を示した．
液液界面近傍に存在する粒子の運動を顕微鏡する場合，通常は界面に平行な運動の情報しか得られない．したがって，粒子が界面を横切って存在する場合と界面から離れて浮揚している状態を区別することが困難である．特にカシミール斥力による浮揚の場合，浮揚距離が数百ナノメートルと小さいため浮揚を直接観察することが困難である．そこで，浮揚物体として球ではなく円板であった場合について理論的に考察した．円板の場合，重心運動以外に傾斜の自由度が増える．半径１ミクロンメートル，厚さ０．５ミクロンの銅円板について，傾斜角の熱揺らぎを浮揚している場合と界面に捉われている場合とで比較し，前者の方が著しく大きいことを見出した．この結果から傾斜の測定で界面からの相対値を推定できることが分かった．
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| Strategy for Future Research Activity |
二つの重要な問題が未解決である．第一は静電気力の影響である．実験では水を使用しているため，金と水，ならびに水と空気の界面近傍には電気二重層が生成され金粒子と界面との間に電気力が作用している．この力が作用しても浮揚が実現できることを確認しなくてはならない．静電気力に大きさは，金粒子表面の酸化膜や汚染状況および水の水素イオン濃度に強く依存するため非常に複雑である．実験で使用している金粒子を二個捕獲し，その相対運動からゼータ電位を推定する．第二は浮揚距離などを定量的に議論するために金粒子の半径を正確に知る必要がある．現在は製造会社が公表している公称値を用いているが，実験に用いた金粒子そのものの半径を測定しなければならない．電子顕微鏡で半径を測定する予定であるが，浮揚している金粒子を試料台に移動させて，同定し，測定する方法を確立する必要がある．粒子がブラウン運動している場合，その同定は比較的容易であるが使用している金粒子が０．３ミクロンと小さいため，静止した状態では試料台の傷やダストの判別が困難になる．運動状態を追跡しながら静止させ，その位置を同定する技術を確立する．
本研究の応用として単一金粒子の推定を行う．粒子の質量は密度が一定かつ既知であれば，電子顕微鏡による形状観察結果から質量を推定することができるが，複雑な内部構造や多成分の粒子にはこの方法は適用できない．微粒子を液滴の底に捕獲することができれば，質量と運動範囲には相関があるため，顕微鏡により浮揚している粒子のブラウン運動を観察することで粒子の質量が推定できる．原理検証のため浮揚している金粒子の質量測定を行い，密度から求めた値と合致するか確認する．
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| Causes of Carryover |
“カシミール斥力を用いたマイクロメカニズムの浮揚”を実現するために，当初は磁性絶縁体を使い，その浮揚をレーザー変位計で測定する予定であった．しかし，研究過程において，液液界面ならびに気液界面上で生じたカシミール斥力で微小物体を浮揚できる可能性が見出され実証実験を開始した．その際，カシミール斥力の効果のみを調べるためには粒子間相互作用のない状態が望ましい．そのため単一粒子の浮揚を暗視野顕微鏡による観察を試みた．しかし，多数の不純物が界面近傍に漂うような状態となった．よってこの不純物の除去に注力した．クリーンブースを使用し，実験器具もクリーンルーム内でパックされたものを使用するようにした．これら一連の改善は主として実験手続きの改良と新規消耗品の購入により達成したため，総支出は予想より低く抑えられた．結果として当初の執行額より残余が生じたが，一方で自作の暗視野顕微の改良が次年度へ先送りとなった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
これまでは自作の顕微鏡システムを使っているため理論との定量的な評価が困難であった．特にサンプルを一定温度に保つ機能がないこと．また粒子径が正確に測定できていないことが問題であった．本研究では液滴を使用しているが，液滴の蒸発を防ぐために密閉した空間の温度コントロールが必要となる．そのため，液体を循環させることで恒温状態を保つことのできる装置を購入し，実験の不確かさを減少させる．さらにブラウン運動の観察から粒子の質量を推定する場合は，粒子径を電子顕微鏡で測定する必要がある．そのため単一粒子を操作するための装置作製費に使用する．また，９月に韓国で開催される微粒子の国際会議でこれまでの成果を発表予定であり，その旅費として使用する．
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