2005年度 千葉大学大学院自然科学研究科 理化学専攻 修士論文発表会 気体－液体間の屈折率空白域を埋める シリカエアロゲルの新製法の研究開発 04UM1109 田端 誠 2006/02/07(Tue) 宇宙塵捕集 と シリカエアロゲル 宇宙空間において、高速で衝突する固体微粒子の捕獲 軽くて透明な固体 シリカエアロゲル スポンジのような構造 密度0.02~0.3g/cm3 （調節可能） 捕獲粒子の確認が容易 真空中や広範囲な温度で安定 © NASA / JPL 2 高エネルギー実験 と シリカエアロゲル チェレンコフカウンターの輻射体 チェレンコフ輻射の条件 1 1 n θC 輻射の方向 cosc 1 n 入射荷電粒子の種類と運動量に応じて、輻射体の屈折率を選択すれば チェレンコフ発光の有無で粒子識別が可能 3 シリカエアロゲルの標準的な製法 調合 エアロゲル ゲル化 超臨界乾燥 アルコゲル 洗浄 疎水化 洗浄 4 従来の製作可能な屈折率範囲 1.5 エ タノール ρ =0.789 n=1.362 屈折率 n 1.4 水 ρ =1.00 n=1.33 メタノール ρ =0.793 n=1.329 標準的な製法で製作できる シリカエアロゲル 石英ガラス ρ =2.22 n=1.47 1.3 1.005 n 1.08 0.02g/cm3 1.2 屈折率と密度の関係 n 1 従来のシリカエアロゲル 1.1 二酸化炭素 ρ =0.00198 n=1.00045 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 密度 ρ [g/cm3] シリカエアロゲル 2.0 2.5 ~ 0.25 5 従来の製作可能な屈折率範囲 1.5 エ タノール従来のシリカエアロゲル 水 ρ =0.789 ρ =1.00 1.006 n=1.362 n=1.33 メタノール 1.005 屈折率 n 屈折率 n 1.4 1.3 1.2 石英ガラス ρ =2.22 n=1.47 ρ =0.793 n=1.329 1.004 1.002 屈折率と密度の関係 n 1 二酸化炭素 ρ= 0.00198 従来のシリカエアロゲル n= 1.00045 1.000 二酸化炭素 ρ =0.00198 0.01 0.00 n=1.00045密度 1.0 0.0 1.005 n 1.08 0.02g/cm3 1.003 1.001 1.1 標準的な製法で製作できる シリカエアロゲル 0.5 0.02 ρ [g/cm3] 1.0 1.5 密度 ρ [g/cm3] 2.0 0.03 2.5 シリカエアロゲル ~ 0.25 6 低密度エアロゲル製作の困難 超臨界乾燥 圧 力 屈折率の上昇 変形 透明度の低下 超臨界流体 液体 収縮 固体 臨界点(C) PC 臨 界 圧 力 気体 臨界温度 TC 自然乾燥 温度 二酸化炭素オートクレーブ PC 7.30MPa TC 31.1C エタノールオートクレーブ PC 6.31MPa TC 243.1C 7 高屈折率エアロゲル製作の困難 調合 （ゾル－ゲルプロセス） 加水分解 : mSi(OCH3) 4+ 4mH2O → mSi(OH)4 + 4mC テトラメトキシシラン 蒸留水 縮重合 : mSi(OH)4 → (SiO2)m + 2mH2O 触媒 1% 高屈折率を目指した調合 溶媒の量が少ない ゲル化が進行しない 溶媒 48% テ トラメトキシ シ ラン 水 21% 30% 屈折率1.08を目指した調合比（体積比） 8 近年の製作テクニック ガラスケース と ガラスプレート ガラスケースにアルコゲルを成型する 超臨界乾燥時、アルコゲルにガラスプレートを載せる ガラス－ゲル間の引力で、収縮が軽減される 屈折率 1.005 まで有効 多層一体型 下層がゲル化後、直ちに上層を成型する 異なる屈折率の層が、 化学的に結合して一体となる 9 二層一体型 低密度エアロゲル 低密度層（アルコゲル） 境界 屈折率 1.01 相当の下層 低密度層（エアロゲル） 屈折率 1.0037 下層 ガラスケースを使用した 二層一体型エアロゲル © T. Fukushima (2004) 10 新製法～フレーム構造法 多層一体型の応用 フレーム構造 テフロンシート 収縮率の小さなアルコゲルで型を形成する 内部に成型したアルコゲルは収縮が抑えられる 低密度エアロゲルの実現 ガラスケース・プレート エタノール溶媒 エタノール超臨界乾燥 11 フレーム構造法による 低密度エアロゲルの試作 調合直後 フレームのアルコゲル 屈折率 1.01 相当 目的の低密度アルコゲル （収縮しない場合） 1.0025 相当 7×7×1 cm3 12 フレーム構造法による 低密度エアロゲル 二層構造 (1.001) 二層構造 (1.0025) 3 密度 : 0.01227±0.00001 g/cm密度 : 0.01656±0.00008 g/cm3 （屈折率 1.0031 相当） （屈折率 1.0041 相当） 厚さ : 19.0mm → 11.5mm (61%)厚さ : 19.0mm → 14.0mm (74%) フレーム構造 (1.001) 密度 : 0.00880±0.00008 g/cm3 密度測定 （屈折率 1.0022 相当） 13 新製法～ピンホール乾燥法 調合 エアロゲル 自然乾燥 ゲル化 ピンホール乾燥 洗浄 超臨界乾燥 アルコゲル 疎水化 洗浄 ピンホール乾燥 調合・半熟成後のアルコゲルを 半密閉容器に入れ、徐々に溶媒を揮発させる ゲル構造を壊さずに収縮 → 密度（屈折率）増大 14 ピンホール乾燥 と クラック ピンホール乾燥容器のデザインは アルコゲルの収縮に大きな影響を与える 底面のクラック 最新版 表面のクラック アルコゲルの 表面全体を 空気にさらす 反り 廉価版 15 疎水化 と クラック 疎水化 親水基 （再）洗浄工程でエタノールが浸透して 崩壊したサンプル （アルコゲル） 疎水化剤 （ヘキサメチルジシラザン） 疎水基 疎水化工程で クラックが 発生したサンプル （エアロゲル） 16 ピンホール乾燥法における 屈折率 と 透過長 45.0 Pinhole Drying Method 40.0 Reference Transmission Length [mm] 35.0 透過長測定 分光光度計 λ=400nm 30.0 25.0 20.0 屈折率測定 フラウンホーファー法 λ=405nm 15.0 10.0 5.0 0.0 1.000 1.050 1.100 1.150 Refractive Index 1.200 1.250 1.300 17 ピンホール乾燥法における 密度 と 屈折率 1.300 Pinhole Drying Method Reference Standard Method Refractive Index n 1.250 屈折率測定 フラウンホーファー法 λ=405nm 1.200 1.150 密度測定 重量 : 電子天秤 体積 : ものさし 1.100 n = (1.0022± 0.0007)+(0.2598± 0.0015)ρ r = 0.9988 1.050 1.000 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 Density ρ [g/ cm3] 0.80 0.90 1.00 1.10 18 ピンホール乾燥法による 高屈折率エアロゲル 屈折率 : 1.2206±0.0009 (λ=405nm) 透過長 : 18.1±0.5mm (λ=400nm) 大きさ : 57×36×9mm 収縮率 : 86ml → 18ml (21%) 初期屈折率 : 1.057 19 まとめ と 応用 収縮を制御する新しい製法で、従来にない屈折率のシリカエアロ ゲルを製作した。 フレーム構造法 ピンホール乾燥法 標準製法 1.002 1.005 1.08 1.265 標準製法で製作できる屈折率の範囲でもピンホール乾燥法を 用いることにより、透明度の高いエアロゲルが得られた。 より低密度のアエロゲルが製作できるようになり、変性の少ない 状態で宇宙塵の捕集が可能となる。 幅広い範囲の屈折率のエアロゲルが製作できるようになり、チェ レンコフカウンターの輻射体として様々な運動量領域に対応する ことが可能となる。 20
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