Study on rheology of liquids with multiscale structures by means of high-frequency shear impedance spectroscopy
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19K03768
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
山口 毅 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80345917)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松岡 辰郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60252269)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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| Keywords | 構造緩和 / 高粘性液体 / 粘弾性 / マルチスケール / 横波超音波 / レオロジー / 超音波スペクトロスコピー / 液体構造 / 粘度 |
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| Outline of Research at the Start |
長さスケールが異なる複数の特徴的構造を有する液体について、MHz~GHz帯での複素粘性係数を測定し、各構造が粘性に与える寄与を実験的に明らかにする。緩和時間は構造により異なることから、複数の構造に起因する粘弾性緩和を評価するためには、幅広い周波数帯での測定が必要になる。そのため、無電極水晶振動子を用いたずりインピーダンス法による測定装置を開発し、複素粘性係数測定の上限周波数を1 GHz程度まで拡張する。NI転移付近の液晶等方相、高級アルコール、長いアルキル鎖を持つイオン液体などを対象とする。MDシミュレーションや、音響光学的手法による並進配向結合の測定も合わせて結果を検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
実験的には，無電極水晶振動子を用いた自作のQCM-D装置を用いて，21m LiTFSA/H2O濃厚電解質溶液の複素粘性係数測定を65 MHz ~ 2 GHzの周波数範囲で行った。従来の金電極付振動子を用いた測定と合わせて，測定周波数域は5 MHz ~ 2 GHzと広帯域にわたり，粘弾性緩和の全貌をカバーすることができた。Gonzalezらによって報告されている[J. Phys. Chem. Lett. 11, 7279 (2020)]同濃度のLiTFSA/D2O溶液の中性子準弾性散乱と比較すると、粘弾性緩和は波数8~12 nm-1の構造緩和と対応していることが示された。既報のMDシミュレーションによる解析[Gonzalez et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 10727 (2022)]によると、この波数域に現れる構造はTFSAアニオン間の相間に帰属されており、嵩高いアニオンのパッキングの緩和が粘性の起源となっているという描像が示唆された。また、4 nm-1付近に報告されているプレピークの緩和は粘弾性緩和より遥かに遅く、プレピークの起源となる不均一構造のダイナミクスと粘性との直接結合は弱いと考えられる。
昨年度測定したヘキサン及びシクロヘキサンのX線非弾性散乱について、MDシミュレーションによる解析を行った。音速の波数分散と長波長極限の粘弾性緩和の比較により、波数2 nm-1程度までの速い音速は長波長極限の粘弾性緩和で説明できることが示された。また、環状分子からなる液体の方が鎖状分子からなる液体よりも音速分散で見られる縦波弾性率の緩和強度が大きいという実験結果に関し、鎖状分子では分子の変形に伴う分子内モードの緩和が速いために、振動エネルギー緩和に伴う縦波弾性率の緩和強度が小さくなっているという機構を提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
測定装置の開発の遅れにより，粘弾性緩和と構造緩和の比較によるレオロジー研究という当初の目的が十分に達成されていない。また，研究成果の公表に関しても，新型コロナ感染症による学会・研究会のオンライン化・延期のため十分には行えていない。一方で理論・計算的手法による研究では，当初の予定を超えた成果も得られているが，実験計画の遅れを補うには至っていないと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度は，様々な濃度でLiTFSA/H2O濃厚溶液の粘弾性緩和を測定し、低周波極限の粘度の濃度依存性と比較する。また溶媒を典型的な有機溶媒に変えて、水系と非水系の緩和挙動の違いについても検討する。粘弾性緩和測定と同濃度のLiTFSA/D2O溶液で中性子準弾性散乱を測定し、粘弾性緩和と中間散乱関数の比較から、Li塩濃度の増加に伴う急激な粘度増加がTFSAアニオンのパッキング構造の緩和で説明できるかどうかを検討する。測定はJ-PARC MLFの後方散乱型分光器DNAを用いることを計画しており、本年度後期の測定に向けて公募申請を行う。また、共同研究者によってLiTFSA/H2O溶液のBrillouin散乱法による縦波超音波緩和測定が行われており、本年度測定予定の粘弾性緩和と合わせて解析を行う。
また理論的観点から、MDシミュレーションによって粘弾性緩和を各波数の構造緩和の寄与に定量的に分割するための解析手法の開発を行う。本研究課題においてこれまでに、体積粘弾性緩和から振動エネルギー緩和の寄与を抽出するための周波数領域の射影演算子法を提案しており、本手法を基に射影先を二体密度関数に置き換えることによって、粘弾性緩和から各波数の構造緩和の寄与を抽出できると考えている。開発手法は単純な低分子液体でテストしたのち、高級アルコールやイオン液体の不均一構造の粘弾性緩和に対する寄与の分離に適用したい。
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Report
(4 results)
Research Products
(26 results)
