| 研究課題/領域番号 |
24K17025
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
大貫 良輔 東京理科大学, 創域理工学部先端物理学科, 助教 (40979431)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2026年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
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| キーワード | 球状コロイドクラスター / 正二十面体 / フォトニックボール / 構造色 / コロイド結晶 / フォトニック結晶 / 色材 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
球状コロイドクラスターは数百ナノメートルのコロイド粒子が球形に凝集した材料であり、鮮やかな色を呈する。この発色は構造色と呼ばれ、色あせない色材として注目されている。本研究では球状コロイドクラスターの構造形成に関わるパラメータを調査することで形成過程の理解に迫る。本研究により各構造の作製条件が明らかになれば、狙った構造を作製することができるようになり、顔料やセンサーなどの構造色材料として展開できると期待される。
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| 研究実績の概要 |
球状コロイドクラスターは、液滴の蒸発速度および構成粒子数に依存して異なる内部構造を示すことが近年明らかとなっている。その中には、正二十面体の対称性を持つ構造があり、構成粒子数が1万個以下の場合に安定となることが知られている。しかし、数十万個の粒子からなる巨大な正二十面体構造のクラスターが発見され、球状コロイドクラスターの構造形成には他のパラメータも関与する可能性が示唆されている。そこで本研究では、構成粒子数が10万個以上の球状コロイドクラスターを対象に、コロイド粒子径および粒子間相互作用が構造形成に与える影響を調査することを目的とした。
2024年度は、液滴の蒸発速度および構成粒子数の制御により球状コロイドクラスターを作製し、各構造の出現割合を調査した。新たに導入したマイクロ流体デバイスにより液滴サイズの均一化が実現され、構成粒子数を制御した球状コロイドクラスターの作製が可能となった。その結果、10万個以上の構成粒子数を持つ場合には、構成粒子数の違いによる構造の顕著な差異は確認されず、正二十面体構造は全体の1割ほど形成された。
一方、蒸発速度の制御には課題が残った。当初検討していた、液滴周囲に水を予め溶かすことで水分子の拡散量を調整する手法では、制御精度が不十分であり、周囲の液滴数にも影響を受けることが判明した。そこで新たに、液滴内外の浸透圧差を利用して収縮を制御する浸透圧法を導入した結果、液滴の収縮速度を安定的に制御できることが確認された。この手法は、最終年度に予定する蒸発過程の顕微鏡観察にも適用可能である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
2024年度の研究実施計画に基づく内容はおおむね完了し、一定の成果が得られている。一方で、蒸発速度を変化させた場合の構造出現割合の調査は、当初想定していた水の拡散制御法では実現が困難であることが判明し、未完了である。ただし、代替手法として導入した浸透圧法により、液滴収縮速度を安定して制御できる見通しが得られ、次年度の観察に向けた基盤が整っている。
また、2025年度に計画していたコロイド粒子径の違いが球状コロイドクラスターの構造に与える影響の調査にもすでに着手しており、順調に進行中である。加えて、最終年度に予定する光学観察に向けた光学系の設計も計画通り進展している。
これらの進捗状況を踏まえると、当初の研究計画はおおむね順調に遂行されていると評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2025年度は、コロイド粒子径および粒子間相互作用の違いが球状コロイドクラスターの構造形成に及ぼす影響を明らかにする。粒子径ごとにクラスターを作製し、構造を比較することで、形成過程に動力学的要素が関与しているかを検証する。また、イオン交換樹脂を用いて溶媒中のイオン濃度を制御し、粒子間相互作用の強さを調整してその影響を評価する。これらの検討を通じて、コロイド粒子径や粒子間相互作用が球状コロイドクラスターの構造形成に影響する重要なパラメータであるかを明らかにする。
さらに、正二十面体構造が形成されやすいパラメータ条件を特定することで、構造形成メカニズムの理解を深めることを目指す。加えて、正二十面体構造のクラスター形成過程を直接観察するため、蒸発過程中の液滴を光学顕微鏡下で観察する。構造色パターンの変化に注目し、明視野、暗視野、透過照明の各条件下で液滴サイズと構造色のパターンの時間変化を追跡することで、蒸発速度と内部構造形成の関係を明らかにする。この観察のための実験系構築も並行して進める予定である。
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