| 研究課題/領域番号 |
15K04722
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| 研究機関 | 東京電機大学 |
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研究代表者 |
細田 真妃子 東京電機大学, 理工学部, 准教授 (40366406)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 粘性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、界面活性剤分子が液体表面に吸着して形成する単分子膜が示す２次元の粘弾性を精度よく決定する電磁回転式（Electro-Magnetically Spinning）表面粘弾性測定システムを開発する。さらにこれを用いて不溶性、可溶性の単分子膜の２次元粘弾性を測定し、これらの力学物性と膜分子の凝集状態とを関連づける表面レオロジー解析手法の構築を試みる。さらに得られた表面粘弾性の実測値を、微小な液体運動のシミュレーションに採用することにより、インクジェット射出などにおける高速でミクロな液体の動的挙動予測の高精度化を目指す。
研究の初年度においては、電磁回転駆動の表面粘弾性測定装置の設計・製作を行い、また既存の手法によりすでに表面粘弾性が調べられている典型的な不溶性表面単分子膜に適用してその性能を評価した。これにより本手法が微小量での測定が可能であり、さらに分子一層分の厚みしか持たない液体表面吸着膜が示すレオロジー的性質をピックアップする上で有効であることが確認できた。
さらにこの測定原理を2次元粘弾性の検出に特化した測定手法の開発を行った。表面吸着膜は基板となるバルクの水あるいは水溶液の表面に形成される。このため膜を運動させてその力学物性を計測する場合、必然的に膜の下方にあるバルクの液体も駆動することになり、その粘性の影響も受けることになる。このバルク部分の流動による粘性抵抗の寄与については、プローブを試料中に完全に沈めて測定するディスク型EMSを用いてバルク粘性を精度よく決定し、これを表面浮上型の測定結果から差し引くことにより表面粘性のみの抵抗トルクを精度よく決定することを試みた。さらにラムスデン効果によるタンパク質凝集膜の形成前駆現象の敏感検出に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究の当初において立案された実施計画に沿ってほぼ順調に研究が遂行されている。粘弾性計測の精度向上という課題に関しては、本年度の研究により飽和脂肪酸単分子膜ではその典型的な表面粘性の値は10^-5Ns/mの程度であり、基板となる純水の粘性10^-3Ns/m^2と比較して、直径１cmのディスクプローブであれば十分な精度で表面粘性を検出することが可能であることを示した。単分子膜の粘性は凝縮系において考えうる最小の運動量輸送係数であり、これを簡便な装置で検出できるようになったことは学術的にも、また産業応用上の観点からも有意義であると考えられる。さらに表面測定においては半径1㎜の円形プローブを用いれば、従来法に比べて表面粘性の検出感度を10倍以上向上させることができる可能性も示したことになる。
以上のとおり研究は順調に推移しており、その成果も具体的に現れつつある。今後はさまざまな両親媒性分子膜の精密測定などの測定に応用が期待できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2次元における粘性測定において当初の計画通りの精度が実現できることが明らかとなったので、今後は実施計画に基づいてさらに各種表面分子層が有する表面粘弾性を計測する。当初は表面粘性計測のみを目標とし、磁場の一定速度回転のモードによりプローブの定常回転測定を行って表面粘性の表面圧・温度・分子鎖長への依存性を検証する。さらにこれらの諸条件が表面粘性に及ぼす影響を系統的に調べ、装置の性能と結果の妥当性を評価する。
その後、磁場を振動回転モードに切り替え、振動トルクに応答する回転子の振動の振幅と位相遅れから複素表面粘弾性、すなわち弾性と粘性の二つの物理量を分離して検出する試みを行う。試料としては当初、表面吸着量が滴下量によって一意に決定できる不溶性単分子膜を用い、これについて吸着分子密度と表面粘弾性の関係を定量的に評価できることを確認する。さらに対象を可溶性の単分子膜に拡張し、その吸着量と粘弾性の関係を測定する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
装置性能評価の必要上、2次元における粘性測定の精度・再現性を向上させるため使用するディスクプローブの直径を固定し、液体表面に展開させる両親媒性分子の表面密度や測定温度を変化させて測定を行ったため、当初計上していたディスク作製については次年度に支出することとした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
ディスクプローブ縁における液面形状の変形および2次元粘弾性値への影響を精密に観測するため、異なる直径のディスクプローブを用意する。これを精密微細加工が可能なマイクロ放電加工で試作する。この方法で各種類の円板プローブを各種加工・製作する費用として70万円を使用し、残りを国内外研究者と研究地合わせを行うための旅費とする。
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