粒子試料支持体への応用に向けたカーボンナノチューブヤモリテープ強力接着機構の実現

• 研究課題/領域番号: 20H02029
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18010:材料力学および機械材料関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 平原 佳織 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40422795)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円); 2020年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ / 接着 / 地球外物質解析 / 高速接触 / 衝撃吸収 / ヤモリテープ / 衝撃吸収特性 / 粒子捕集 / 走査電子顕微鏡 / 力学試験 / 電子顕微鏡 / 撃力

研究開始時の研究の概要

カーボンナノチューブ(CNT)からなるヤモリ足裏構造を模した人工粘着テープ（CNTヤモリテープ）は、物質解析において最も理想的な粘着式試料支持体になり得るが、その実現には強い圧着による劣化の解決が必須であり、マイクロメートルサイズの粒子に対する接着特性の理解も十分でない。
CNTヤモリテープのマイクロ粒子への接着・剥離過程での力学計測やその場観察を行い、個々のCNTの接着・摩擦特性、CNT凝集構造に由来するマクロな弾性・衝撃吸収特性等が階層的におりなすテープの力学を解き明かして制御し、不定形粒子試料支持用途での超強力接着を実現するCNT形態、非劣化強接着を実現する予荷重負荷機構の確立をめざす。

研究成果の概要

配向成長させたカーボンナノチューブ(CNT)からなるヤモリテープを粒子状固体に対して効率よく強固な接着を実現するために、従来の強くゆっくり押し潰す予荷重負荷方法に代わり高速負荷により被着体に接着させる機構を提案し、その有用性の実証に取り組んだ。1mm-20umの粒子を配向CNTに衝突もしくは高速で接触させた際のCNT変形および接着特性を微視的・巨視的双方のスケールで計測・評価を行い、高速負荷により従来法より接着力が向上すること、被着面近傍のCNTが効率良く変形することで真実接触面積を稼ぐこと、配向CNTの衝撃吸収性、亀裂進展、凝集形態が変形や接着におよぼす影響などを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

CNTの配向凝集体からなるヤモリテープは、その構造由来の興味深い諸特性を有するものの、強く押しつけることによるテープの劣化が，その応用展開を阻んできた主な理由といえる。本研究は、完全に配向CNTを潰すところまで押しつけなくても従来より強い接着が得られる方法を提示できた。本研究で得た成果は、配向CNTの基礎研究と応用を繋ぐ意義を有し、結果として、新奇デバイス創成に寄与することとなった。本研究の出発点は、惑星科学分野でのニーズだが、その活用によって、将来広い分野での物質構造解析の進展にも繋がる。また、構造解析に留まらず、成層圏汚染調査、電子部品の排熱基盤などへの応用展開が拓ける可能性もある。

研究成果

• [雑誌論文] Insight into multi-step geological evolution of C-type asteroids from Ryugu particles (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi A., Tomioka N., Ito M., Shirai N., Kimura M., Greenwood R. C. et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 7 号: 4 ページ: 398-405
  • DOI: 10.1038/s41550-023-01925-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A history of mild shocks experienced by the regolith particles on hydrated asteroid Ryugu (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomioka Naotaka、Yamaguchi Akira、Ito Motoo、Uesugi Masayuki、Imae Naoya、Shirai Naoki、Ohigashi Takuji、Kimura Makoto、Liu Ming-Chang、Greenwood Richard C., et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 7 号: 6 ページ: 669-677
  • DOI: 10.1038/s41550-023-01947-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A pristine record of outer Solar System materials from asteroid Ryugu’s returned sample (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito M.Tomioka N.Uesugi M.Yamaguchi A.Shirai N.Ohigashi T.Liu M.-C.Greenwood R. C.Kimura et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 6 号: 10 ページ: 1163-1171
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01745-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modeling the particle capture performance by vertically aligned carbon nanotubes for a comet rendezvous sample return (2022)
  • 著者名/発表者名: Serizawa Ryota、Yano Hajime、Takeda Yuki、Oizumi Shuto、Ishibashi Yukihiro、Arai Kazuyoshi、Li Yuexuan、Hirahara Kaori、Hirai Takayuki、Sun Yuchen、Kooi Steven E.、Nelson Keith A.
  • 雑誌名: Advances in Space Research 巻: 69 号: 7 ページ: 2787-2797
  • DOI: 10.1016/j.asr.2021.10.013
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ONE YEAR ON! A SUMMARY OF THE ANALYTICAL WORK ON RYUGU PARTICLES CONDUCTED BY PHASE2 KOCHI CURATION (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M.-C., Liu, R.C. Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, A. Tsuchiyama, M. Yasutake, R. Findlay, I.A. Franchi, J.A.Malley, K.A. McCain, N. Matsuda, K.D. McKeegan, K. Hirahara, A. Takeuchi, et al.
  • 学会等名: MetSoc 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 小惑星リュウグウ表層粒子の衝撃変成 (2022)
  • 著者名/発表者名: Richard,上杉健太郎, 中藤亜衣子, 与賀田佳澄, 湯沢勇人, 兒玉優, 平原佳織, 櫻井郁也,岡田育夫, 唐牛譲,岡崎啓史, 野口高明, 三宅亮, 宮原正明, 瀬戸雄介, 松本徹, 伊神洋平, はやぶさ２キュレーションチーム, 臼井寛裕, 渡邉誠一郎, 津田雄一
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2022年年会
• [学会発表] Application of carbon nanotube-based gecko adhesive tapes for aerospace materials science (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Hirahara
  • 学会等名: 第63回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Hayabusa2 returned samples: Unique and pristine record of Solar System materials from asteroid Ryugu (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M-C, Liu, R.C. Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, A. Tsuchiyama, M. Yasutake, R. Findlay, I.A. Franchi, J.A. Malley, K.A. McCain, N. Matsuda, K.D. McKeegan, K. Hirahara, A. Takeuchi, et al.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会（JpGU2022）
  • 招待講演
• [学会発表] Chemical characteristics of Ryugu particles returned by the Hayabusa2 spacecraft (2022)
  • 著者名/発表者名: N. Shirai, M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamguchi, N. Imae, T. Ohigashi, M-C. Liu, R.C. Greenwood, M. Kimura, S. Sekimoto, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, M. Yasutake, K. Hirahara, A. Takeuchi, I. Sakurai, I. Okada, Y. Karouji, T. Yada, M. Abe,
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会（JpGU2022）
• [学会発表] Characterization of organic materials in Ryugu particles and investigation for their origin and nature (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Uesugi, H. Yuzawa, T. Ohigashi, M. Ito, N. Tomioka, Y. Kodama, N. Shirai, K. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, M. Kimura, A. Nakato, K. Yogata, K. Hatakeda, A. Miyazaki, T. Yada, M. Abe, K. Hirahara, I. Sakurai, I. Okada, M.-C. Liu, R. C Greenwood
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会（JpGU2022）
• [学会発表] Multiscale characterization of the Asuka 12169 meteorite; rehearsal of Hayabusa2 returned sample analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Uesugi, M. Ito, N. Tomioka, N. Imae, A. Yamaguchi, M. Kimura, N. Shirai, T. Ohigashi, M-C. Liu, R.C Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, M. Yasutake, K. Hirahara, A. Takeuchi, I. Sakurai, I. Okada, Y. Karouji, T. Yada, M. Abe
  • 学会等名: The 12th Symposium on Polar Science
• [学会発表] Hayabusa2 Returned Samples: Unique and Pristine Record of Solar System Materials from Asteroid Ryugu (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M-C, Liu, R.C. Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, A. Tsuchiyama, M. Yasutake, R. Findlay, I.A. Franchi, J.A. Malley, K.A. McCain, N. Matsuda, K.D. McKeegan, K. Hirahara, A. Takeuchi, et al.
  • 学会等名: The 53rd Lunar and Planetary Science Conference (LPSC 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] The C-type asteroid Ryugu: A first detailed look by Phase2 Curation Kochi (Ph2K) (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ito, N. Tomioka, M. Uesugi, A. Yamaguchi, N. Imae, N. Shirai, T. Ohigashi, M. Kimura, M-C. Liu, R.C Greenwood, K. Uesugi, A. Nakato, K. Yogata, H. Yuzawa, Y. Kodama, M. Yasutake, R. Findlay, I.A. Franchi, Malley J., K. Hirahara, A. Tsuchiyama et al.
  • 学会等名: Hayabusa symposium 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Carbon nanotube-based gecko tapes as supportive devices for microparticles (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Hirahara
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of Impact Preloading on The Adhesion of Carbon Nanotube Gecko Tapes Against The Collision of Stainless Steel Balls (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Abe, K. Hirahara
  • 学会等名: MNC2020
• [備考] 小惑星リュウグウ：太陽系外縁部からの来訪者 多機関連携分析が読み解いた小惑星の記録
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2022/20220816_1
• [備考] 小惑星リュウグウの活発な地質活動の歴史が明らかに
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20230321_1
• [備考] 小惑星リュウグウ粒子の微小断層から読み解く天体衝突
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20230421_3