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高分子ガラス表面における疑似絡み合いセグメントの観測に成功

 
~高分子鎖の局所コンフォメーションから革新的接着技術の構築へ~

公開日:2021.08.19

 

研究成果 Physics & Chemistry Technology

 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、部材の組み立ては現在のボルト・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、その先の自動運転が普及するSociety5.0を実現するためには、センサや電子部品の小型化、高性能化が必須であり、これらを自在に組み立てるための接着が可能となれば、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、理論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田中敬二 主幹教授/センター長、川口大輔 准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ています。接着界面の本質的な理解により次世代接着技術を確立し、基盤技術を構築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」における界面の理解から社会実装までを展開しています。
 研究グループはナノクリープ*3実験に基づき、高分子ガラス表面では分子鎖の長さに依存しない絡み合いセグメント*4が存在することを観測しました。従来は、高分子鎖の絡み合いはその長さのみで規定されると考えられていましたが、本研究では、高分子表面に存在する分子鎖が内部領域まで繋がるため、表面近傍でセグメントが緩和しても疑似ループコンフォメーション*5が形成され、短い分子鎖でも一時的に絡み合ったような粘弾性挙動を示すことを明らかにしました。この成果は、熱可塑性表面層での分子鎖の絡み合い制御に繋がることから、現在、接着方法論が確立されておらず適用例の少ない熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の接着技術の開発を加速すると期待できます。
 本研究は、田中教授が客員教授を勤める浙江理工大学および南フロリダ大学、プリンストン大学と共同で行いました。
 本研究成果は、2021年8月18日午後4時(英国時間)にNature誌のオンライン版で公開されました。

参考図

ナノクリープ試験の結果(説明は本文中)と表面近傍に存在する分子鎖のスナップショット。表面近傍に存在するループコンフォメーションにより、短い鎖でも過渡的にゴム状絡み合い挙動を示す。

用語解説

*1 次世代モビリティ:英語の”mobility”を日本語訳すると「移動性」となりますが、広義には自動運転車、空飛ぶ自動車など、「未来の移動手段」のことを指しており、その部材には、さらなる軽量化と強靱化が求められます。

*2 マルチマテリアル化:金属・非鉄金属や強化複合材料を併用することでコストとともに重量の削減を図る手法を指しています。

*3 クリープ:粘性と弾性を併せ持つ粘弾性体に一定の応力を印加するとひずみが増加する現象をいいます。高分子は典型的な粘弾性体として知られています。

*4 セグメント:分子鎖の空間的な広がりなどを考える際に統計的に1つのベクトルと考え得る程度の長さを指しています。

*5 コンフォメーション:空間配座とも言われ、結合周りの回転によって取り得る分子鎖の形態のことを指します。

研究者からひとこと
高分子表面でガラス転移温度が低下していると主張した約30年前から、いろいろな角度で検討を重ねてきました。表面近傍でのセグメントダイナミクスや分子運動の勾配など、個々のコンセプトを温めてきましたが、今回の論文ではこれらの知見を繋げ、理論の構築に貢献できたような気がします。今後は、得られた知見を接着技術分野における社会実装へ展開していきたいと考えています。

論文情報

タイトル:
著者名:
Zhiwei Hao, Asieh Ghanekarade, Ningtao Zhu, Katelyn Randazzo,
Daisuke Kawaguchi, Keiji Tanaka, Xinping Wang, David S. Simmons,
Rodney D. Priestley, and Biao Zuo
掲載誌:
Nature
DOI:
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03733-7