| 研究課題/領域番号 |
20H01876
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| 研究機関 | 京都産業大学 |
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研究代表者 |
岩下 靖孝 京都産業大学, 理学部, 准教授 (50552494)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | コロイド分散系 / レオロジー / 異方性粒子 / 絡み合い / フォトリソグラフィ |
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| 研究実績の概要 |
本研究ではコロイド粒子の絡み合い形状を系統的に設計し、力学的非平衡下において、絡み合い相互作用が粒子分散系の静的・動的空間構造にどう影響するか、それによりどのような力学物性が現れるのかを解明することを目的としている。
1. 粒子作成：フォトリソグラフィにより、任意の2次元形状を持つ粒子を作成する手法を確立できた。具体的には当初予定していた棒状・S字形状・開いた楕円環形状に加え、x形状や3方向に絡み合いの腕を持つ粒子などのより複雑な粒子も作成できた。これらの形状を正確に作成するための露光エネルギーやフォトマスクと基板間の圧力といったパラメータの最適化に加え、ステージからの反射の抑制、粒子形状が乱れた部分の判別・除去といった、試料の質を向上させるノウハウを確立した。さらに露光エネルギーを調整することで、粒子の硬さをある程度制御できることも分かった。さらに蛍光色素を添加し、青と橙それぞれに発光する粒子の作成にも成功した。色素を加えると露光条件などが変化するため、作成パラメータの最適化を行った。これまでに使用した色素では、橙の方が青よりもかなり明るく、特に青蛍光の方はより適した色素を探す必要がある。
2. 顕微レオメータの構築：購入したレオメータの下部に蛍光顕微鏡を構築し、上記で作成した粒子の透過光学観察・上記2色の蛍光観察に成功した。蛍光顕微鏡は上記色素用の2色の励起光源を独立に持つ。観察の光学系は2色で共有する形となっているため、適切な透過・反射/吸収帯を持つダイクロイックミラー・励起フィルタ・蛍光フィルタを選定することで、2色の光源による2色の蛍光の同時観察を実現した。他方、橙蛍光用の励起光をカットする蛍光フィルタの性能が最適となっておらず、より高精度の同時蛍光観察を行うには光学系やフィルタなどの改善が必要である。
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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
実験に不可欠である複雑な異方形状を持つ粒子の作成においては、当初予定以上の多様な形状の粒子の作成に成功した。特に通常の作成プロトコルにはない独自の工夫をすることで粒子の質の向上に成功し、また当初の想定になかった、硬さなどの物性を制御できる可能性を見出すことができた。また蛍光付与においては作成条件が大きく変化したが、これも実験を重ねることで適切な条件を見出すことができた。顕微レオメータの構築についても、やや複雑な光学系であるが、実際に観察しつつ構造を工夫することでほぼ当初予定通りの性能を実現することができた。これらに関しては、やや当初計画以上の成果が上がったと言える。
他方、青蛍光の色素の強度不足、橙蛍光観察用の光学系の性能不足などの問題に取り組んだこともあり、当初計画にあった絡み合い構造の観察や粘弾性測定などに関しては、ごく予備的な実験に留まった。こちらはやや遅れがあった。
総じて、研究は順調に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
1. 試料作成：2021年度までの研究で、青・緑・橙それぞれの蛍光を発する任意形状微粒子の作成に成功し、さらに既存の研究例を参考に、粒子と溶媒との屈折率と密度を一致させた分散系を実現することができた。しかしこれに用いた溶媒は有害性や揮発性などで実験上の取り扱いにやや困難がある。そこで異なる候補物質を用い、より実験しやすい屈折率・密度マッチング系の実現に取り組む。
2. ずり流動場下の2次元的流動状態と構造形成：これまでの研究で、ずり流動場下で沈殿した粒子が、形状に依存した特有の流動状態や構造形成を示すことを見出した。よって形状の異方性や絡み合い能が異なる多様な粒子の分散系に対しずり流動場を印加し、現れる流動状態や形成される構造の形状依存性を解明する。なお本テーマは当初の計画にはなく、これまでの実験で見出したものである。
3. ずり流動場下の3次元構造と粘弾性：上述したS字形状および開いた楕円環形状を用い、絡み合い能を様々に変えた粒子の分散系に顕微レオメータを用いてずり流動場を印加し、光学/蛍光顕微鏡による直接観察により形成される構造を解明することに取り組む。特徴的な絡み合い挙動を示した粒子系に対し、流動変形に対する力学応答（粘弾性）を顕微レオメータを用いて測定する。
4. 能動粒子の作成：これまでにフォトリソグラフィを用い、電場・光照射・溶媒などにより自発的に運動する粒子を作成することに成功している。よって能動運動する絡み合い・非絡み合い粒子を作成し、非熱的な能動運動と絡み合いの有無により、どのような構造が形成されるかを調べる。また、これらの粒子の流動場下における空間構造や集団的運動状態について調べ、それらの粘弾性への影響について調べる。
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