高分子鎖の接着初期素過程の直接観察に成功

次世代モビリティ*1の軽量化を目的として構造部材のマルチマテリアル化*2が推奨され、将来的にはオールプラスチック化が予測されています。このため、部材の組立は現在のボルト・リベットなどを用いた接合技術から、高分子材料を用いた接着技術へ転換することが喫緊の課題となっています。モビリティ部材を接着技術だけで組み上げることが可能になれば、軽量化の実現、すなわち、燃費向上による省エネ化、低炭素化が加速できます。さらには、センサの小型化も進展しており、これらを自在に組み立てるための接着が可能となれば、モビリティの自動運転が飛躍的に進展し、安全・安心社会の推進へと大きく貢献できると期待されます。人命に関わるモビリティにおいて接着技術を導入するには、学理に基づく強度や耐久性の保証およびそれらに基づいた健全性や信頼性が求められます。しかしながら、現状では、実接着界面での破壊挙動の分子描像はもちろん、接着機構すら理解できていない状況です。

九州大学 大学院工学研究院／次世代接着技術研究センターの織田ゆか里 助教、田中敬二 教授らの研究グループは、接着現象を、分子中の官能基の配向状態から巨視的な力学強度までのマルチスケールな空間で、かつ、時間変化で包括的に解析し、その発現機構を明らかにすることを目的として、JST未来社会創造事業大規模プロジェクト型「界面マルチスケール４次元解析による革新的接着技術の構築」を遂行しています。同プロジェクトでは、高分子科学および先端計測を専門とする研究者と共同連携企業の連合体が特定先端大型研究施設などの支援の下、「接着現象」について界面の学理構築から社会実装までを展開しています。

本研究において、織田助教らは固体基板上に孤立して存在する高分子鎖が、熱処理とともにその形態を変化させ吸着していく様子を直接観察することに成功しました。従来は分光学的なデータから高分子鎖の吸着現象を議論していましたが、本研究では原子間力顕微鏡を用いて「直接観察」するとともに、分子動力学計算により形態変化がコンフォメーション*3転移であることを明らかにしました。この成果は、被着体上で接着剤が固化していく際の素過程に対応しており、界面コンフォメーションの絡み合い制御方法を示唆していることから、接着強度や寿命予測の理解と設計に繋がることが期待されます。

本研究は、九州大学次世代接着技術研究センターの山本智 教授、大学院工学研究院の川口大輔 准教授、次世代接着技術研究センターの盛満裕真 博士と共同で行いました。

本研究成果は、２０２０年１２月１日午前１０時（英国時間）にScientific Reports誌のオンライン版で公開されました。

参考図
マイカ基板上に吸着したPMMA鎖のAFM像ならびにMDシミュレーションにより得られた分子鎖のスナップショット。熱処理の進行とともに、その局所コンフォメーションがループからトレインへと変化した。

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研究に関するお問い合わせ先

工学研究院／次世代接着技術研究センター　田中 敬二 教授