自己組織化単分子層の凹凸パターンを利用した微小機械要素の表面機能化に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15656031
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中谷 彰宏 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (50252606)
• Keywords: 自己組織化単分子膜 / 分子動力学 / パイエルスポテンシャル / 格子力学 / 転位論 / ナノテクノロジー / シミュレーション / 異方性

Research Abstract

マイクロマシンや、ナノロボット、ナノマシンなどの構造部品としてのナノスケールの機械要素に対する設計手法の確立が望まれている中で、近年、ナノレベルの構造制御法の一つとして、自然な形態形成や自己組織化を利用する方法が注目されてきている。自己組織化単分子層(Self-Assembled Monolayer;SAM)の利用もそのような応用の一つである。本研究課題では、格子転位の概念を、凹凸のパターンを付与したSAM表面の分子間力によりつくられる場のミスフィットに適用し、表面特性の改善や、相対すべり運動する微小機械要素実現のための表面の機能化を目的としている。
平成15年度は、自己組織化単分子層の基本特性を把握するために、まず、分子間相互作用を記述するポテンシャル関数の調査を行った。さらに、基板がAu、および、SiからなるSAMモデルを構築した。前者は均質なSAMモデル、後者は50%のサイトに分子が吸着する不均質モデルとなっている。分子鎖にはアルキル鎖を考え、分子間相互作用には、MM3パラメーターを用いた。続いて、SAMの相対すべり運動の分子動力学シミュレーションを実施した。摺動方向を変化させた様々な条件に対して、押し付け力とすべり方向のせん断力との関係から、摩擦係数を評価し、その異方性を調べた。Au基板のモデルでは顕著な異方性は見られなかったが、Si基板では摺動方向によって摩擦係数が異なることが明らかとなった。また、変位制御条件下での荷重変動は、分子鎖の周期と一致し、表面間ポテンシャルにパイエルスポテンシャルとのアナロジーが成立することから、格子力学における転位論を適用できる可能性が示された。
ここで得られた知見は、今後、摩擦の低減のみならず、面内異方性(ガイディング)、方向異方性(ラチェッティング)の発現に結びつけることができると考えられ、次年度以降、検討してゆく予定である。

Research Products

• [Publications] 中谷彰宏: "材料力学および構造健全性評価学への分子動力学シミュレーションの応用"溶接学会誌. 72・6. 489-494 (2003)
• [Publications] 神崎伸彦, 北川 浩, 中谷彰宏, 比嘉吉一: "マイクロマシンの潤滑剤のための自己組織化単分子膜の摩擦特性の分子動力学解析"日本機械学会平成15年度卒業研究発表講演会前刷集(1). 15 (2004)
• [Publications] 木村裕昭, 中谷彰宏, 北川 浩: "自己組織化単分子膜間の相対すべり摩擦特性の分子動力学解析"日本機械学会講演論文集(関西支部第78期定時総会講演会)(3). No.044-1. 21-22 (2004)
• [Publications] Itsuo Hanasaki, Akihiro Nakatani, Hiroshi Kitagawa: "Molecular dynamics study of Ar flow and He flow inside a carbon nanotube junction as a molecular nozzle and diffuser"Science and Technology of Advanced Materials. 5・1-2. 107-113 (2004)
• [Publications] 北村隆行, 梅野宜崇, 辻 長知, 中谷彰宏: "原子構造体の不安定変形モード解析"日本機械学会論文集A編. 69・681. 945-951 (2003)