2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project/Area Number |
15H03911
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
伊藤 伸太郎 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50377826)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | ナノトライボロジー / ナノレオロジー / 水和潤滑 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
水和潤滑は生体関節で実現される極めて低い摩擦係数を説明するために提唱された潤滑機構であり，生体由来の物質に限らず水で膨潤したゲル状物質に共通してみられることが明らかにされている．本研究では，水和潤滑効果が確認されているMPCポリマー薄膜を対象として，潤滑メカニズムの解明を目的とする．
メカニズム解明のために，従来研究で開発したナノレオロジー計測を発展させて，蛍光顕微鏡によるゲル薄膜のその場観察を実現する．その場観察によりゲル薄膜のレオロジー（粘弾性）特性の定量化と同時に，その変形量の定量化を目指す．本年度はその場観察の実現に向けて測定系の構築に着手した．蛍光顕微鏡と組み合わせるために，従来開発したナノレオロジー計測系を小型・集積化した．しかし小型化に伴って装置の機械的剛性が低下し，振動ノイズによる測定精度の低下が問題となった．そこで振動ノイズを抑制する機構を考案し，従来測定系と同程度の測定精度（せん断力測定精度0.1nNオーダ）を達成した．測定系の構築と同時に，水和したMPCポリマー薄膜のレオロジー計測に着手した．その結果，水和によってMPCポリマー薄膜は2－3倍程度に膨潤すること，隙間の狭小化に伴ってシアシニング特性が顕在化することなどが明らかとなった．
その場観察によるゲル薄膜の変形量の定量化は，蛍光染色したMPCポリマーの一部を消光してパターンを形成し，それをしゅう動した時のパターンの変化を顕微鏡で観察することにより実現することをコンセプトとしている．本年度はMPCポリマーを蛍光染色できる蛍光標識を選定し，ローダミン6Gを用いることとした．また，パターンの形成はフォトマスクを介して励起光を一定時間照射することにより蛍光分子を退色させることで実現可能であることを確認した．今後はパターンの高精度化に向けた各種条件の最適化が必要である．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画において予定していた測定系の構築を達成した．新規に構築したナノレオロジー計測系においては，大幅な小型化を実現すると同時に従来と同程度の測定精度を達成した．小型化によって蛍光顕微鏡との組み合わせが可能となり，その場観察を実現する計測系が完成した．その場観察による変形量の定量化には，MPCポリマー薄膜の蛍光染色が必要となる．フォトマスクを利用したパターニング法を考案し，10マイクロメートル以下の精度で蛍光染色パターンの作成に成功した．ゲル薄膜のしゅう動時の変形量を高精度に定量化するためには，このパターンのさらなる高精度化が必須である．パターニング時に基板とフォトマスクの密着性を向上させることにより，それが実現できる可能性があることを見出しており，今後条件の最適化により1マイクロメートル程度の精度を目指す．
装置開発やその場観察のためのサンプル作成と同時に，水和したMPCポリマー膜のレオロジー計測を試みた．測定結果から,水和によってMPCポリマー薄膜の膜厚は2-3倍まで膨潤することが明らかとなった．またしゅう動隙間の狭小化に伴って粘弾性が顕著に変化し，水和する前の膜厚に相当する隙間以下になると弾性が粘性を上回ることを見出した．さらに弾性が支配的となる隙間領域においては，シアシニングとよばれる非ニュートン性が顕在化した．水和潤滑で低摩擦が実現されるメカニズムとして界面スリップの可能性を想定しており，観測されたシアシニングはこれを支持する結果となっている．今後はその場観察によりこれらのメカニズムを解明し，潤滑性との相関を明らかにする予定である．これらの測定結果は本測定法によりはじめて明らかにされた現象であり，その成果は国内学会（1件），および国際学会（2件）で発表した．上記のように当初の目標を概ね達成できており，進捗状況は概ね順調といえる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
構築した測定系を用いて，水和したゲル薄膜のレオロジー特性と変形量の同時計測を行う．これによりゲル薄膜をしゅう動した際の摩擦力が，ゲル薄膜の変形による粘弾性力に起因するものか，ゲル薄膜表面での摩擦力に起因するものかを明らかにすることができる．とくに剪断率依存性を検証し，低摩擦のメカニズムとして想定している界面スリップが起こる剪断率条件を明らかにする．またこれまでの研究成果によりフォトマスクを利用することによって，任意の蛍光染色パターンの形成に成功した．パターン形状を工夫することによって，しゅう動方向だけでなくそれと直交する方向の変形量についても定量化できる可能性が有り，これについて実験的に検証する．
ナノレオロジー測定系に新たに光干渉によるしゅう動隙間の測定系を導入する．従来の測定系では，高精度なピエゾステージと隙間方向に剛性の高いプローブを用いることにより高精度な隙間制御を実現しているが，隙間を直接測定することは困難であった．そのため従来研究ではプローブ先端と基板との固体接触を検出し，これを原点としてピエゾステージの変位から隙間を同定した．この方法は試料となる液体が低粘度の場合にのみ有効であり，ゲル薄膜では固体接触が起こりにくいため適用が困難と想定される．そこで光ファイバープローブにレーザー光を導入し，光干渉の原理に基づいて隙間測定を実現する．この干渉計ではファイバー端面での反射が参照光，基板表面での反射が物体光となり，隙間の二倍に相当する光路差によって干渉強度が変化する．隙間の測定精度は1nmオーダを目標とするが，感度が不足する場合には白色LEDを光源に用いた分光型の干渉計を構成することを検討する．もしくは顕微鏡の観察光学系と同軸にレーザー干渉計を構成して，プローブ表面と基板からの反射光の干渉により形成されるニュートンリングにより隙間を測定する方法を検討する．
|
Research Products
(3 results)
