Development of time-dependent stain observation system for macromolecular destruction phenomenon probed by terahertz spectroscopy

• Project/Area Number: 18H02040
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35020:Polymer materials-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: Watanabe Shinichi 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10376535)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2018: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
• Keywords: テラヘルツ分光 / 黒色ゴム材料 / ポリ乳酸 / 高分子材料 / テラヘルツ光 / テラヘルツ

Outline of Final Research Achievements

We have developed a terahertz spectroscopy system to dynamically capture the changes in physical properties of polymeric materials, such as crystallization of plastics and stress softening of rubber. We succeeded in capturing temporal changes of terahertz dielectric responses of polylactic acid film sample before and after the glass transition and crystallization after heating the sample. We also succeeded in inferring the shape change of carbon black aggregates contained in a rubber sample from a dielectric response change in terahertz frequency region caused by stretching the sample.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

実用化が進む高分子材料の信頼性を向上させるためには、高分子材料物性の時間変化をプローブすることが非常に重要である。特に、材料の結晶化や応力軟化はその力学的特性に大きな影響を与えるため、これらを非破壊でプローブする技術開発は重要である。本プロジェクトにより、非破壊計測であるテラヘルツ分光法を用いて高分子材料の結晶化や、応力軟化に伴う材料内部の構造変化を検出できたことは、大きな社会的意義がある。また温度変化に伴う高分子鎖の熱運動の変化や、結晶化に伴う化学結合の変化をテラヘルツ分光でプローブできることを示し、学術的にも大きな進展を与えた。

Research Products

• [Journal Article] Evaluation of Crystallinity and Hydrogen Bond Formation in Stereocomplex Poly(lactic acid) Films by Terahertz Time-Domain Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Hirata Junya、Kurokawa Naruki、Okano Makoto、Hotta Atsushi、Watanabe Shinichi
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 53 Issue: 16 Pages: 7171-7177
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00237
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast coherent control of higher-order spin waves in a nife thin film by double-pulse excitation (2020)
  • Author(s): M. Okano, T. Takahashi, and S. Watanabe
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 117 Issue: 8 Pages: 082407-082407
  • DOI: 10.1063/5.0016340
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatio-temporal imaging of terahertz electric-field vectors: observation of polarization-dependent knife-edge diffraction (2019)
  • Author(s): Suzuki Kenta、Oguchi Kenichi、Monnai Yasuaki、Okano Makoto、Watanabe Shinichi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 12 Issue: 5 Pages: 052010-052010
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab12fc
  • NAID: 210000155692
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-Time Monitoring of Structural Changes in Poly(lactic acid) during Thermal Treatment by High-Speed Terahertz Time-Domain Spectroscopy for Nondestructive Inspection (2019)
  • Author(s): Nakamura Madoka、Okano Makoto、Watanabe Shinichi
  • Journal Title: ACS Applied Polymer Materials Volume: 1 Issue: 11 Pages: 3008-3016
  • DOI: 10.1021/acsapm.9b00703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polarization-sensitive dual-comb spectroscopy with an electro-optic modulator for determination of anisotropic optical responses of materials (2019)
  • Author(s): Sumihara Kana A.、Okubo Sho、Oguchi Kenichi、Okano Makoto、Inaba Hajime、Watanabe Shinichi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 27 Issue: 24 Pages: 35141-35141
  • DOI: 10.1364/oe.27.035141
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polarization-sensitive electro-optic sampling of elliptically-polarized terahertz pulses: Theoretical description and experimental demonstration (2019)
  • Author(s): K. Oguchi, M. Okano, and S. Watanabe
  • Journal Title: Particles Volume: 2 Issue: 1 Pages: 70-89
  • DOI: 10.3390/particles2010006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] テラヘルツ偏光分光法を用いた黒色ゴム材料の非破壊検査技術と応用展開 (2019)
  • Author(s): 渡邉紳一、岡野真人
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 88 Pages: 91-95
  • NAID: 130007709452
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高分子材料における異方性のテラヘルツセンシング (2019)
  • Author(s): 渡邉紳一、岡野 真人、中迫 雅由
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 47 Pages: 21-26
  • NAID: 130008072645
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Internal Status of Visibly Opaque Black Rubbers Investigated by Terahertz Polarization Spectroscopy: Fundamentals and Applications (2018)
  • Author(s): M. Okano, S. Watanabe
  • Journal Title: Polymers Volume: 11 Issue: 1 Pages: 9-9
  • DOI: 10.3390/polym11010009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Terahertz Polarization Imaging and Its Applications (2018)
  • Author(s): Watanabe Shinichi
  • Journal Title: Photonics Volume: 5 Issue: 4 Pages: 58-58
  • DOI: 10.3390/photonics5040058
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inspection of internal filler alignment in visibly opaque carbon-black rubber composites by terahertz polarization spectroscopy in reflection mode (2018)
  • Author(s): M. Okano, S. Watanabe
  • Journal Title: Polymer Testing Volume: 72 Pages: 196-201
  • DOI: 10.1016/j.polymertesting.2018.10.020
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Evaluation The Hydrogen Bonding in Stereocomplex Poly(lactic acid) by Terahertz Spectroscopy (2021)
  • Author(s): J. Hirata, N. Kurokawa, M. Okano, A. Hotta, and S. Watanabe
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 黒色ゴムの応力緩和に伴うテラヘルツ周波数帯複屈折変化の温度依存性 (2021)
  • Author(s): 神田龍星, 岡野真人, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 金属磁性体におけるスピン歳差運動の光コヒーレント制御 (2021)
  • Author(s): 渡邉紳一, 岡野真人
  • Organizer: Spin-RNJ 2020年度年次報告会
• [Presentation] Coherent control of higher-order spin precession modes in ferromagnetic permalloy thin films by double pulse excitation (2020)
  • Author(s): M. Okano, T. Takahashi, and S. Watanabe
  • Organizer: CLEO 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非同期サンプリング法によるテラヘルツ偏光分光測定装置の開発 (2020)
  • Author(s): 中川真由莉, 岡野真人, 渡邉紳一
  • Organizer: テラヘルツ科学の最先端VII
• [Presentation] 複素誘電率スペクトル解析によるポリ乳酸薄膜の熱誘起状態変化の観測 (2020)
  • Author(s): 岡野真人, 中村円香, 渡邉紳一
  • Organizer: テラヘルツ科学の最先端VII
• [Presentation] テラヘルツ偏光計測によるゴム伸縮過程における内部カーボンナノフィラー構造変化の推定 (2020)
  • Author(s): 水田圭祐, 岡野真人, 森本崇宏, 阿多誠介, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ダブル光パルス励起による金属強磁性薄膜中の高次スピン波モードの制御 (2020)
  • Author(s): 岡野真人, 高橋知宏, 渡邉紳一
  • Organizer: Spin-RNJ 若手オンライン研究発表会
• [Presentation] 電子デバイスを用いたテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）の開発動向と展望 (2020)
  • Author(s): 渡邉紳一
  • Organizer: テラヘルツビジネスセミナー
  • Invited
• [Presentation] テラヘルツ分光装置の社会実装に向けた研究開発動向 (2020)
  • Author(s): 渡邉紳一
  • Organizer: 第107回テレコム技術情報セミナー
  • Invited
• [Presentation] 伸縮過程にともなう黒色ゴムのテラヘルツ光学伝導度の不可逆変化 (2020)
  • Author(s): 水田圭祐, 岡野真人, 森本崇宏, 阿多誠介, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Development of polarization-sensitive dual-comb spectroscopy for anisotropic materials (2019)
  • Author(s): K.A. Sumihara, S. Okubo, K. Oguchi, H. Inaba, and S. Watanabe,
  • Organizer: 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テラヘルツ偏光センシングと計測応用 (2019)
  • Author(s): 渡邉紳一
  • Organizer: 第36回センシングフォーラム 計測部門大会
  • Invited
• [Presentation] 最先端光計測による高分子材料の光物性研究 (2019)
  • Author(s): 渡邉紳一
  • Organizer: 第18回 関東光科学若手研究会
  • Invited
• [Presentation] Yb添加ファイバーアンプを用いたEr添加ファイバーをベースとした光周波数コム光源の高出力化 (2019)
  • Author(s): 今井 優理子, 岡野 真人, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] デュアルコム光源を利用した非同期サンプリング法によるテラヘルツ時間領域分光装置の開発 (2019)
  • Author(s): 中川 真由莉, 岡野 真人, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 電歪素子を用いた高速ビート周波数制御によるデュアルコム分光装置の開発と応用 (2019)
  • Author(s): 田渕 稜介, 住原 花奈, 岡野 真人, 大久保 章, 稲場 肇, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] デュアルコム分光法を用いた非ドープおよびドープシリコンの光学特性評価 (2019)
  • Author(s): 福田 達博, 渡邉 紳一, 岡野 真人
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高速テラヘルツ時間領域分光装置によるポリ乳酸の熱誘起構造変化の実時間観測 (2019)
  • Author(s): 岡野 真人, 中村 円香, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 物性計測に向けた電気光学変調器を用いた偏光デュアルコム分光法の開発 (2019)
  • Author(s): 住原 花奈, 大久保 章, 小口 研一, 岡野 真人, 稲場 肇, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] テラヘルツ時間領域分光法を用いたステレオコンプレックス型ポリ乳酸の結晶化度の評価 (2019)
  • Author(s): 平田 純也, 黒川 成貴, 岡野 真人, 堀田 篤, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第68回高分子討論会
• [Presentation] テラヘルツ偏光計測を用いたゴム複合材料内部のゴム-フィラー間相互作用の研究 (2019)
  • Author(s): 岡野真人, 渡邉紳一
  • Organizer: 第30回エラストマー討論会
• [Presentation] テラヘルツ偏光計測による繰り返し伸縮に伴う黒色ゴム内部構造変化の研究 (2019)
  • Author(s): 辻本敬斗, 森脇淳仁, 藤井美佐子, 岡野真人, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] テラヘルツ偏光測定を用いた黒色ゴムの応力緩和現象の観察 (2019)
  • Author(s): 森脇淳仁, 岡野真人, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] テラヘルツ光学伝導度測定を通じた黒色ゴムの内部伝導ネットワーク構造の推定 (2019)
  • Author(s): 岡野真人, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] デュアルコム分光法による複素屈折率の異方性計測 (2019)
  • Author(s): 住原花奈, 大久保章, 小口研一, 稲場肇, 渡邉紳一
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 反射型テラヘルツ偏光分光装置を用いた黒色ゴム複合材料の内部フィラー配向状態の観測 (2019)
  • Author(s): 岡野 真人, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 偏光分解テラヘルツ分光法による高分子材料の異方性イメージング技術 (2019)
  • Author(s): 渡邉紳一
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Real-Time Observation of Thermally-Induced Structural Changes of Poly(Lactic Acid) Thin Film by Terahertz Spectroscopy (2018)
  • Author(s): M. Nakamura, M. Okano, and S. Watanabe
  • Organizer: 2018 MRS Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical Response Change Of Black Rubbers Under Cyclic Deformation Investigated By Terahertz Polarization Spectroscopy (2018)
  • Author(s): T. Tsujimoto, A. Moriwaki, M. Fujii, M. Okano, and S. Watanabe
  • Organizer: 43th Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and THz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Internal strain imaging of visibly-opaque black rubbers by terahertz polarization spectroscopy (2018)
  • Author(s): A. Moriwaki, M. Okano, and S. Watanabe
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO PR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electric-field vector imaging of terhertz surface waves on an indium tin oxide thin film (2018)
  • Author(s): K. Suzuki, K. Oguchi, M. Okano, and S. Watanabe
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO PR) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of strain-induced anisotropic percolative conduction in rubber-filler composites by terahertz polarization spectroscopy (2018)
  • Author(s): M. Okano and S. Watanabe
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz optical response of polymer composites and its application (2018)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: The 11th Asia-Pacific Laser Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Terahertz polarization spectroscopy as a novel tool for non-destructive internal strain sensing of rubber and polymeric materials (2018)
  • Author(s): S. Watanabe
  • Organizer: International Conference on Plastics and Rubber Technology (ICPRT 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ファイバコムにおける圧電素子による高速ビート位相同期 (2018)
  • Author(s): 西川 大智, 住原 花奈, 田渕 稜介, 大久保 章, 稲場 肇, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] デュアルコム分光法を用いた偏光計測装置の高速化 (2018)
  • Author(s): 住原 花奈, 大久保 章, 小口 研一, 稲場 肇, 渡邉 紳一
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] テラヘルツ偏光計測を用いたゴム材料内部の非破壊検査 (2018)
  • Author(s): 渡邉 紳一, 岡野 真人,森脇 淳仁
  • Organizer: 日本ゴム協会２０１８年年次大会
• [Presentation] テラヘルツ波を用いた高分子材料の非破壊検査技術 (2018)
  • Author(s): 渡邉紳一
  • Organizer: 第52回センサ＆アクチュエータ技術シンポジウム
  • Invited
• [Book] 基礎高分子科学 第２版 (2020)
  • Author(s): 高分子学会
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807909629