2015 Fiscal Year Research-status Report
ナノスケール誘電緩和計測法の開発と動的物性計測の新地平
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26390069
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| Research Institution | Kansai Medical University |
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Principal Investigator |
影島 賢巳 関西医科大学, 医学部, 教授 (90251355)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 誘電緩和 / 分極 / 粘弾性 / 非線形流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子間力顕微鏡委（AFM)を用いて、ナノスケール高分子系の誘電特性を計測する手法として、絶縁性探針の上方に置いた電極に交番電圧を印加し、探針と試料に誘起される分極の周波数応答の違いを検出する方法を考案した。このアイデアの実現可能性を検証するため、高分子薄膜の誘電特性の計測を行った。
空間的にヘテロな誘電特性を示す代表的な高分子系として、ポリビニルアセテート(PVAc)とポリスチレン(PS)を1：3の割合で混合し相分離させてSi基板にスピンコートした薄膜を用いた。AFMを周波数変調(FM)モードで動作させ、カンチレバーの周波数シフト信号に含まれる交番電圧成分をロックイン検出して誘電関数の実部と虚部の周波数依存性をそれぞれ求めたところ、PVAcの特異的な応答周波数に近い周波数に構造を持つ特性を得ることができたが、関数の形が一般的に期待されるデバイ型やその類似の関数と大きく異なっていた。また、試料上の位置依存性がほとんど観測されなかった。試料の何らかの応答を計測できているとは考えられるが、試料の作製で問題があった可能性があり、さらなる検証が不可欠である。
研究のもうひとつの柱であるAFMを用いた粘弾性計測では、高分子と液体が協調的に呈するとされる特異な非ニュートン的挙動に関心を持ち、AFMによるシア粘弾性計測を行った。人工関節応用が期待される2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン（MPC）ポリマーをコートした試料を水中に入れ、AFM探針でシアを及ぼしながら探針－基板距離を接近させて粘弾性を計測し、緩和時間が、距離の減少によるひずみ速度増加に伴いわずかに減少するのを観測した。しかし、この動作の途中で何度か接近動作を停止し、シア振幅を掃引しながら計測した緩和時間は振幅への依存性を示さなかった。現在のサブナノメーターレベルの振幅では線形粘弾性領域にあるためと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
誘電緩和計測においては、想定していた以上に相分離試料の作製方法の習得に時間を要した。特に初期に作製した試料では、溶媒除去が不十分で高分子に流動性が残っていた可能性があり、これを検証するための計測にかなりの時間を要した。また、得られたデータの解釈についても検討する必要があり、これが計測原理の再検討なども含め今後の研究方針に大きく影響したため、予想外に時間を要している。
粘弾性計測については、高分子－液体複合系の粘弾性からそのダイナミクスを探る研究を新たにスタートして比較的順調に知見を得ているといえる。しかし、研究を進めていくうえで、線形領域から非線型領域への遷移を観測するため、計測方法にさらなる工夫が必要な段階に差し掛かっており、装置の改造などにもやや時間を要している。
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| Strategy for Future Research Activity |
局所誘電緩和計測においては、試料作製法を確実にすることが必須であるが、処理に通じた研究者のアドバイスを受けるなどして改善に向かいつつある。今後は、試料セルに加熱機構を備えることによって、ガラス転移の上下における誘電スペクトルの差異や、ヘテロな高分子系の局所的な誘電特性の差異を検出することを目指す。また、測定の分解能を向上させるため、計測のベースとなるAFM計測法についても、FMモードのほか位相変調（PM）モードや振幅変調（AM）モードなどを試行して、最適な方法を見出すことにより分解能の向上を目指し、ヘテロ高分子系での誘電スペクトルの相依存性のイメージングへ結び付ける。
粘弾性計測については、成果を得つつある高分子－液体複合系の粘弾性挙動について、非線形性のメカニズム解明につながるよう、シア振幅の可変範囲の拡大による高ひずみ速度での計測を実現し、非線形流動性を解明する手がかりとする。また、探針の親水性／疎水性の別による挙動の差異を検証する。また、誘電緩和計測の対象としているヘテロな高分子薄膜について、粘弾性と誘電緩和を同一装置で計測し対照できるようにする。
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