2015/7/21 ソフトマター工学・第12回 2015年7月21日（火） ソフトマターと生体模倣 九州大学大学院工学研究院機械工学部門 准教授 山口 哲生 1 本日のおはなし １．前回の復習 -粉体のレオロジー -交通流（渋滞現象） -表面張力によって駆動される粒子系 2．ソフトマターと生体模倣 3．まとめ ４．アンケート記入のお願い 2 1 2015/7/21 粉体とは？ 粉体(granular matter) 粉，粒などの集まったもの（集合体）．粉 （粒）の間の空間（空隙）を占める媒質も含め て一つの集合体と考える．個々の粉，粒は固体 であるが，集合体としては流体（液体）のよう に振る舞う場合がある．砂の振る舞いは一つの 例と言える． 例 砂，セメント，小麦粉，コロイド，磁性流体， 磁気テープなどに塗布する磁性の（超）微粉 末，コピー機のトナー，土星の輪 ブラジルナッツ効果，液状化， ジャミング転移などを紹介し た． 3 渋滞とは？ • 物体（車など）が多すぎて，のろのろ した状態． ⇒ 密度（単位体積あたりの物体の数） が大きくなりすぎて，流量（単位時間当 たりに通過する数）が小さくなる現象． ‐交通渋滞 ‐人の混雑，行列 基本図 （東名高速道路） ‐インターネットの輻輳（つながりにくい状態） ‐ガラス状態，紛体のジャミング など，渋滞は身の回りに溢れている． 今回は，セルラーオートマトンモデル を使って簡単な解析を行なった． 4 2 2015/7/21 自発的に動く液滴 油滴の前後にできる界面張力の差を利用して動く． 5 ３．ソフトマターと生体模倣 生体模倣 自然界には，優れた機能がいくつも存在している． その優れた機能を理解して，工業製品の開発に役立て ようという流れがある． Bio-mimetics（生体模倣） Bio-inspiration（生体規範？） 6 3 2015/7/21 生体模倣の具体例 生体模倣の具体例（括弧内は応用先） -ヤモリ（粘着テープ） -貝殻真珠層（複合材料） -ハスの葉（撥水・防汚表面） -クモの糸（繊維） -ゴボウの実（マジックテープ） -ムール貝（水中接着） -蝶・昆虫の羽（構造色） -セイヨウシデの葉（宇宙構造物） Etc.… 7 ヤモリの優れた粘着・剥離機構 自然界には，ヤモリのように接着・剥離を巧み に利用する生物が存在する． すぐれている点 • 壁や天井を難なく歩ける （しっかり接着し，しかも簡単に剥離する） • ほとんどの表面に粘着できる （粗い表面，濡れた表面など） • 粘着するにもかかわらず汚染されにくい 生物の粘着・剥離メカニズムを理解することは 高機能粘着テープを開発するうえでも重要！ 8 4 2015/7/21 ヤモリ手足に見られる階層構造 ヤモリの手足には，微細な毛が 複数のスケールにわたって生えて いる． Seta ※ヤモリ以外の動物にも，類似の 微細構造が見られる． 9 ヤモリ手足微細構造の構造と機能 基本的な性質 分子間力のみで接着，高剛性（ヤング率～GPa），しかししなやかに 変形． 易接着・易剥離 接着したいとき：押し付けながら横方向に引っ張る． 剥がしたいとき：接着するときとは逆に押し込む． セルフ－クリーニング性能 ヤモリ手足は，良く接着するにもかかわらず汚染されにくい． 階層構造と安定性 大きさの異なるsetaeとspatulaeが接着面の表面粗さに追従し，安定し た接着を確保． B. Zhao et al., J. Phys. Chem. (2009) 10 5 2015/7/21 ヤモリ模擬粘着剤の開発事例 ヤモリ擬似粘着テープ（Gecko inspired adhesive） ファイバ状・ブロック状・マッシュルーム構造 • 粘着・剥離のスイッチングができない（弱粘着 or 強粘着） • 負の垂直荷重が実現しにくい（負の荷重になると，どんどん剥離が進行してしまう） ポリプロピレンファイバー 人工ヤモリ粘着剤（図中C ～ H） （Madiji et al. PRL 2006） （Ge et al. PNAS 2009） 圧縮 引張 マッシュルーム構造 圧縮 引張 圧縮 （A. E. Kovalev et al. Soft matter (2012)） 簡単にはがれる 応力 集中 はがれにくい 11 粘着テープ状構造 マッシュルーム構造 マッシュルーム構造の力学的特徴 先ほどの粘着テープモデルの応用として， 右図のようにマッシュルーム構造を模擬し た条件を設定し，同じパラメータを用いて 計算を行なってみた． 方程式の解 𝑢 𝑥 = 3 3 2𝑓 𝑒 −𝛽 𝑥 3 2𝛽 𝐸𝑓𝑖𝑙𝑚 ℎ𝑓𝑖𝑙𝑚 𝑤𝑎𝑑ℎ 𝜋 4 cos(𝛽 𝑥 − ) 応力分布（ピーリング） 計算のモデル z f O x 応力分布（マッシュルーム） 最大引張応力 に約150倍の 違い！ 荷重位置と試料端部の位置をずらすことで，応力集中を大幅に 低減できるが，接着・剥離のON・OFFはできない． 12 6 2015/7/21 人工スパチュラを用いた接着・剥離の ON・OFF実験（当研究室の研究） セタ 動かす方向によってスイッチン グが起こる（接着力が変わる） 機構を再現 スパチュラ 本研究では，形＋やわらかさ（弾性）に注目 ミクロ配列構造 ⇒ 1本の動力学を詳細に検討 13 実験手法 ・押しつけ，スライド，剥離の３つで１サイクルとし，次の３パターンに おける垂直荷重を測定した． ①圧縮1mm/sで15ｓ押し付け ②水平方向の移動 Ａ. テーブルを左にスライド B. テーブルを右にスライド C. スライドなし ③その後引張速度1mm/sで剥離 ① 押しつけ ② スライド ③ 剥離 14 7 2015/7/21 実験結果 （平成25年度 赤峯彰卒業論文） 2 Normal load[N] 0 -2 -4 Generation of tensile force -6 -8 -10 -12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Time[sec] Ａ ①Slide to left side Ｂ ②Slide to right side ③Non-sliding Ｃ 参考動画：壁をよじ登るロボット （Stanford のグループ） 15 強靭なセラミックスを作る Munch et al., Science, 322, 1516 (2008) 強靭な貝殻真珠層を模倣してアルミナ（Al2O3）-アクリル 樹脂（PMMA）複合材料を作成することにより，アルミナ 単体の破壊靭性（Jc ～26J/m2）を大幅に改善（Jc～ 8000J/m2） 貝殻真珠層：炭酸カルシウム を主成分とする無機層と有機 層が複合構造を形成してい る． 16 8 2015/7/21 強靭なセラミックスを作る（２） 作り方：水を分散媒とするセラミックスの懸濁液に対して，Freeze casting 法を用い，温度勾配下で凍結，昇華させてセラミクスの多孔体を作成． その後，PMMA（アクリル樹脂）を流し込んで複合構造を形成． ラメラ構造（左図）を作成後， 左右方向の圧縮＋焼結を行なう 17 力学特性の評価 • “本物”を上回る破壊靭性 を示した． • 亀裂進展の際に，広い範囲 にわたるミクロクラックや ボイドの生成が見られた． 比較的シンプルな作成プロ セスで，高機能材料を作る ことができた代表例（だと 思う） 18 9 2015/7/21 濡れ・撥水に関する工学的重要性 濡れ・撥水に関して，さまざまなニーズが存在している． • 濡れ性を改善したい 曇らない鏡 冷却効率の高い水冷装置 ドライアイ 印刷 • 撥水性表面が欲しい レインコート，傘 自動車のボディ アメンボ 印刷 濡れ性をコントロールするには，基本的には表面の化学的性質に 着目することが重要． 撥水コーティング，プラズマ処理，光触媒のコーティング，… 不完全な濡れと平衡 ヤング-デュプレの式（Young-Dupré equation） SV cos SL θ:接触角 γ θ γSV γSL エネルギー的に平衡であるためには， 以下の式が成り立つ必要がある． コンタクトライン dW ( SV SL )dx cos dx 0 dW: コンタクトライン（接触線）を dxだけ動かすのに要する仕事 γ γSV dx θ γSL 10 2015/7/21 表面の粗さと接触角 フラクタル表面上 180 アルキルケテンダイマー表面での水-ジオキサン混合 溶媒の接触角（辻井，表面，35，629（1997）） 表面の粗さが増加すると θ < 90°の場合：接触角が小さくなる． θ > 90°の場合：接触角が大きくなる． 90 平滑表面上 0 水の体積分率 なぜ表面粗さによってこのようなこと が起こるのだろうか？ Wenzelのモデル ここでは，粗さによって表面積がｒ(> 1)倍になって いるとする． エネルギー的に平衡であるためには，以下の式が 成り立つ必要がある． dW r ( SV SL )dx cos * dx 0 γ γSV dx Θ＊ γSL 平滑表面のときの式の両辺をｒ倍すると， rdW r ( SV SL )dx r cos dx 0 となるので，比較することによって以下の式が得られる． cos * r cos θ < 90°の場合：θ＊ < θ θ > 90°の場合：θ＊ > θ となる． 11 2015/7/21 Cassie-Baxterのモデル 表面は平滑ではあるが，化学的に不均一な構造を考 える． 表面における成分１，2の面積の割合をそれぞれ f1，f2とする(f1 + f2 = 1)． γ Θ＊ dW f1 ( SV SL )1 dx f 2 ( SV SL ) 2 dx cos * dx 0 それぞれ成分１，2が表面を占めているときの接触角を θ1，θ2とすると，不均一な表面における接触角は， cos * f1 cos 1 f 2 cos 2 超撥水表面 成分2として，“空気”を考える． θ2=180° 接触角は， cos * f1 cos 1 f 2 ハスの葉 f2が1に近くなると，θ＊ ≒180° （超撥水性表面）となる． 一般には，ある程度の粗さ（r）を導 入すると空気のポケットが形成され， このメカニズムによって超撥水が実現 するようになる． 拡大写真 12 2015/7/21 超撥水表面の作成例 T. Onda, S. Shibuichi, N. Satoh, and K. Tsujii, Langmuir, 12, 2125 (1996) アルカリケテンダイマー(AKD)という物質を用いて フラクタル表面を作成．水滴の接触角がほぼ180° になった! フラクタル表面 AKD表面の電子顕微鏡写真 平滑表面 ３．まとめ 本日のまとめ 本日は， -濡れ・撥水のメカニズム -制御の仕方 などについて学んだ． 26 13 2015/7/21 講義の内容 初回：講義の概要，今後の進め方，ソフトマターとは？ 第2回：高分子弾性体 第3回：高分子弾性体(2) 第4回：レオロジー入門 第5回：レオロジー入門(2) 第6回：界面の熱力学 第7回：界面の熱力学(2) 第8回：接着・粘着の力学 第9回：タイヤの力学とトライボロジー 第10回：ゲルの動力学と超低摩擦 第11回：粉体のレオロジー・交通流・アクティブマター 第12回：ソフトマターと生体模倣 27 ソフトマターの特徴 • 構成要素が原子・分子などに比べてずっと大きい． • 動きが遅く，緩和時間が長い．すぐに非平衡状態が実現する． • 多くの場合に粘弾性が現れる． • やわらかく，大変形することができる． • 表面・界面のエネルギーの寄与が大きい． • 身の回りに溢れている． • 工業製品として，利用頻度が高くなってきている． • 生体物質の構成要素としても重要である． • 現象を精密に再現する理論より，現象の本質を捉えるシンプル な理論のほうが役に立つ． 上記のことを講義でできるだけ触れるように したつもりですが，意図は伝わりましたか？ 14 2015/7/21 本講義で触れなかったこと • 溶液の熱力学，相分離 • 液晶 • 構造の自己組織化 • ブラウン運動 • 分子ダイナミクス • ゲルダイナミクス • 生命現象とソフトマター などなど… 教科書・参考図書 参考図書として，以下のものを薦める． 土井正男著「ソフトマター物理学入門」 岩波書店，3,990円 ドジェンヌ，ケレ，ブロシャール著，奥村訳 「表面張力の物理学」吉岡書店，5,040円 お疲れ様でした！ 30 15
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