電荷によるナノ構造形成とずり粘稠化機構

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05256
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 瀬戸 秀紀 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (60216546)
• 研究分担者: 小貫 明 京都大学, 理学研究科, 名誉教授 (90112284)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: ずり流動 / オニオン構造 / ずり粘稠化 / 電気的相互作用 / 界面活性剤 / 中性子小角散乱 / 中性子スピンエコー法 / 座屈メカニズム

研究実績の概要

非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレンの水溶液にずり流動をかけると、「ずり粘稠化」が起きることが知られている。そのメカニズムとしては、ずり流動場により膜の揺らぎの不安定化によりラメラ構造の座屈(buckling)がきっかけとなってオニオンになる、と言う「座屈メカニズム」が信じられているが、実験的に検証した例はほとんどなかった。そこで今回、界面活性剤膜の曲げ弾性係数κと、ラメラ構造における体積弾性率Bを中性子スピンエコー法と中性子小角散乱により求め、ずり粘稠化のメカニズムを明らかにすることにした。
試料としてはポリオキシエチレンC12E5の10%水溶液として、これにイオン性界面活性剤SDSや拮抗的塩RbBPh4を加えることにより、膜間相互作用を変化させた。その結果電荷を増やすに従ってラメラ構造が安定化することとともに、膜の曲げ弾性率が大きくなることが分かった。またラメラの繰り返し周期は電荷の増加によって減少するが、膜の揺らぎの変化によって説明できる場合とできない場合があることが明らかになっ た。続いて我々は試料にずり流動場をかけたときの構造変化を中性子小角散乱により調べた。その結果、電荷量の多い組成ではラメラ構造の面間隔に変化がなかったのに対して、電荷量の少ない組成ではずり流動場の増大に対して増加する傾向が見られた。この結果から、膜間相互作用が強い場合と弱い場合とでは、座屈の進み方が違うことが分かった。 以上の結果により、膜間相互作用と膜の揺らぎがどのようにオニオン形成に影響するかを明らかにするとともに、座屈のメカニズムを検証することができた。
一方小貫は、誘電体転移するガラスの大規模計算機実験を実行した。また拮抗的塩によって形成される電極周りの電気２重層の理論を作り、液体ー液体臨界点近傍の溶媒中のコロイド粒子周囲の吸着層を調べた。

研究成果

• [国際共同研究] NIST/Oak Ridge National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NIST/Oak Ridge National Laboratory
• [雑誌論文] Membrane Formation in Liquids by Adding an Antagonistic Salt (2018)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Sadakane and Hideki Seto
  • 雑誌名: Frontiers in Physics 巻: 6 ページ: 26
  • DOI: 10.3389/fphy.2018.00026
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of interlamellar interactions on shear induced multilamellar vesicle formation (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawabata Y.、Bradbury R.、Kugizaki S.、Weigandt K.、Melnichenko Y. B.、Sadakane K.、Yamada N. L.、Endo H.、Nagao M.、Seto H.
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 147 ページ: 034905～034905
  • DOI: 10.1063/1.4994563
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Supermirror neutron guide system for neutron resonance spin echo spectrometers at a pulsed neutron source (2017)
  • 著者名/発表者名: Hino Masahiro、Oda Tatsuro、Yamada Norifumi L.、Endo Hitoshi、Seto Hideki、Kitaguchi Masaaki、Harada Masahide、Kawabata Yuji
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Science and Technology 巻: 54 ページ: 1223～1232
  • DOI: 10.1080/00223131.2017.1359699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamical Behavior of Hydration Water Molecules between Phospholipid Membranes (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamada Takeshi、Takahashi Nobuaki、Tominaga Taiki、Takata Shin-ichi、Seto Hideki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Part B: Biophysical Chemistry, Biomaterials, Liquids, and Soft Matter 巻: 121 ページ: 8322～8329
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b01276
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and Mechanical Properties of Polybutadiene Thin Films Bound to Surface-Modified Carbon Interface (2017)
  • 著者名/発表者名: Hori Koichiro、Yamada Norifumi L.、Fujii Yoshihisa、Masui Tomomi、Kishimoto Hiroyuki、Seto Hideki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 33 ページ: 8883～8890
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b01457
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical adsorption profiles around a sphere and a cylinder in a fluid at criticality:Local functional theory (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Yabunaka and A. Onuki
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 96 ページ: 032127-1～7
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.96.032127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric Double Layer Composed of an Antagonistic Salt in an Aqueous Mixture: Local Charge Separation and Surface Phase Transition (2017)
  • 著者名/発表者名: Yabunaka Shunsuke、Onuki Akira
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 ページ: 118001-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.118001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectric glass of spheroidal dipoles with impurities: polar nanoregions, response to applied electric field, and ergodicity breakdown (2017)
  • 著者名/発表者名: Takae Kyohei、Onuki Akira
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 29 ページ: 165401～165401
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aa6184
  • 査読あり
• [学会発表] Dynamical Behavior of Hydration Water Molecules between Phospholipid Membranes (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Seto
  • 学会等名: 8th T-J Neutron X-ray scattering Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of interlamellar interactions on shear induced multilamellar vesicles formation (2017)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸秀紀
  • 学会等名: ISSP Workshop「小角・反射率・高分解能研究会～JRR3 の再稼働を見据えて～」
  • 招待講演
• [学会発表] Robustness of TOF-MIEZE (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideki Seto
  • 学会等名: ERICE SCHOOL "Neutron Science and Instrumentation"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Inter-lamellar interactions and multilamellar vesicles formations under shear (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideki Seto, Michihiro Nagao and Youhei Kawabata
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamical behavior of hydrated water molecules between phospholipid membranes (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Yamada, N. Takahashi, T. Tominaga, S. Takata, and H. Seto
  • 学会等名: 10th Liquid Matter Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of interlamellar interactions on shear induced multilamellar vesicle formation (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Seto, M. Nagao, Y. Kawabata
  • 学会等名: Tsukuba Global Science Walk
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 瀬戸秀紀
  • URL: http://research.kek.jp/people/seto/index-j.html