2015 Fiscal Year Annual Research Report
ヘリウム4結晶における濡れ性制御と量子トライポロジーの開拓
| Project/Area Number |
26287074
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
野村 竜司 東京工業大学, 大学院理工学研究科, 助教 (00323783)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 量子固体 / 超流動 / 摩擦 / トライボロジー / 濡れ / 接触角 / Cassie-Baxter状態 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
濡れ性の制御を実現するために、市販の撥水コート剤でガラス表面コートし、超流動液体中の4He単結晶の接触角を測定した。コートした面とコートしていない面の4He結晶の接触角の比較を行ったところ、測定した十数個の結晶においてコートした面の接触角の増大が見られた。これにより、撥水コート剤の塗布という簡便な方法でも、壁表面のラフネスを増大させることにより、極低温における４He結晶の接触角の制御が可能であることが示された。ただし接触角の増大は最大でも20度程度であり、完全反濡れ状態は実現してはいない。
この接触角をCassie-Baxterの関係式を用いて評価してみると、結晶と壁が接触している凸の部分の割合は7割程度で、残りの3割の凹の部分では結晶と壁の間に超流動液体が浸潤していると考えられた。このような浸潤状態はCassie-Baxter状態として知られるものである。また撥水コートした表面を捜査電子顕微鏡で観察したところ、数ナノか数百ナノの空間スケールに亘って、凸凹と荒れた表面が実現していることが分かった。この顕微鏡画像から凸の部分の割合を評価したところ、Cassie-Baxterの関係式からの見積もりと妥当な一致を示した。これにより荒れた表面上における4He結晶のCassie-Baxter状態の存在が初めて示された。
また４He結晶の塑性変形に対して、結晶中の質量輸送が関わることを見出した。0.6 K以下での多孔質中での結晶化を調べることにより見出した。この現象は近年超固体性との関連から関心を持たれている新たな塑性変形の機構と考えられ、量子結晶に特有のトライボロジーを捉えた可能性がある。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでにピエゾ素子で基盤をノコギリ波状に振動させることにより、超流動液体中で4He結晶を駆動することに成功している。また市販の撥水コート剤をガラス表面に塗布することにCassie-Baxter状態が実現していることを、4He結晶において初めて示すことができているため。
|
| Strategy for Future Research Activity |
市販の撥水コート剤を用いてCassie-Baxter状態が実現することが分かったが、一方で接触角が180度に近い完全反濡れ状態は実現してはいない。異なる種類の撥水コート剤も試してみたが、結果は大きくは変わらなかった。この方法は簡便ではあるが、これ以上の接触角の増大は望めないと思われる。
次の展開を図るため、石英基板表面の微細加工による表面処理を試みて接触角の更なる変調を行うこととする。石英のドライエッチングにより、比較的簡単にμm程度の凸凹（突起）を作製することが可能である。微細加工の利点は突起の直径・高さ・密度・配置を自由に設計できることであり、コート剤と比較して制御性が高い。表面処理の条件を系統的に変化させて、結晶の濡れ性が弱くなる条件を見出す。
|
| Causes of Carryover |
比較的安価な撥水コート剤を用いた濡れ特性制御の実験が良好な結果を残したため、先行して進めた。これにより支出額に余裕が生じたため。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
基板のエッチングによる加工で、表面に凸凹加工をする予定である。これにより更なる接触角の増大を図る計画である。
|
