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名古屋大学大学院工学研究科

マイクロ・ナノ機械理工学専攻

研究分野Research in Fukuzawa Lab.

ナノ計測 Nanometrology

ナノ計測とは?
 ナノ計測(Nanometrology: ナノメトロロジー)はナノ材料,ナノデバイス,ナノ機械工学の高機能化および高精度化に極めて重要な役割を果たす研究分野です. 最先端の機械システムは高エネルギー効率,高性能,環境への低負荷など様々な課題を同時にクリアする必要があります. そのためにはナノスケールの材料開発や技術開発が必須であり,その発展性はナノ計測の進歩にかかっていると言っても過言ではありません. すなわちナノ計測は次世代ものづくりのブレイクスルーを生み出す研究分野といえます.このことはナノ計測で多くのノーベル賞が生まれていることからも分かります (例えば,電子顕微鏡,走査型トンネル顕微鏡,MALDI,超解像顕微鏡など). また画期的な機能が期待されるグラフェンやカーボンナノチューブに代表されるナノ材料開発はナノ計測の発展無しには実現されません. 福澤研究室では,独自の着想にもとづきナノ計測法を開発し,次世代のものづくりを支える新しい物理現象の発見や工学的に重要な知見の発掘を目指しています.
 ナノ計測法で観測された現象を次世代のものづくりに生かすためには,それを正しく解釈する必要があります.ただしナノスケールの現象は多くの領域が未開拓で, これまでの理論や法則がそのまま当てはまるとは限りません(むしろ当てはまらないことの方が多いです).そこで現象解明には分子シミュレーションが強力な手段となります. 分子シミュレーションとは現実の物理現象を,分子ひとつからモデル化してコンピュータ上で再現することを目指す計算科学の手法のひとつです. 分子シミュレーションで現実系を再現できれば,ナノスケールの複雑な現象を分子ひとつひとつの特徴から解明することができます. 福澤研究室では,名古屋大学情報科学研究科の張研究室との共同研究により,ナノ計測法による実験と同時に,分子シミュレーションによる現象解明を試みています. このように実験とシミュレーションの両輪でナノ現象を解明し,分子レベルでからのものづくりを実現する新しい機械工学の創成を目指しています.


(左から,エリプソメトリ顕微鏡での実験の様子,当研究室で開発されたマイクロメカニカルプローブ,クリーンルーム内での実験の様子,分子動力学シミュレーション)

ナノ計測に関する研究テーマ

  • 0.1nNの力感度を実現した超高感度なナノ力学計測装置の開発:ファイバーウォブリング法
  • ナノスケールの表面解析とマニュピレーションを実現するマイクロメカニカルプローブ
  • ナノスケールの動的な流体現象を可視化する エリプソメトリ顕微鏡
  • スーパーコンピュータを用いた原子・分子レベルでの力学解析

ナノ計測に関する代表的な研究成果
・Fiber wobbling method for dynamic viscoelastic measurement of liquid lubricant confined in molecularly narrow gaps, Tribology Letters, Vol. 30, 2008.6, pp. 177-189
・Dual-Axis Micro-Mechanical Probe for Independent Detection of Lateral and Vertical Forces, Applied Physics Letters, Vol. 89, 2006.12, pp. 173120-1-3
・Direct Visualization of Dewetting of Molecularly Thin Liquid Films on Solid Surfaces, Langmuir, Vol. 22, No. 16, 2006, pp. 6951-6955
・Simultaneously Measuring Lateral And Vertical Forces with Accurate Gap Control for Clarifying Lubrication Phenomena at Nanometer Gap, Tribology Letters, Vol. 37, No. 3, 2010.3, pp. 497-505
・Theoretical and Experimental Study on Two-stage-imaging Microscopy Using Ellipsometric Contrast for Real-time Visualization of Molecularly Thin Films, Review of Scientific Instruments, Vol. 84, 2013.5, pp. 053704-1-9

・Structure-based Coarse-graining for Inhomogeneous Liquid Polymer Systems, Journal of Chemical Physics, Vol. 139, No. 5, 2013.8, pp. 054901-1-11

ナノトライボロジー Nanotribology

ナノトライボロジーとは?
 物理学者パウリは「固体は神の創造物,表面は悪魔の創造物」という言葉を残しました.これは表面は物理的・化学的に非常に複雑な状態で ”美しい”理論体系で統一的に記述することは難しいということを意味しています.表面の難しさは分子ひとつでその性質が大きく変化することにあります. すなわち分子レベルの理解が表面の理解に必須となります.ナノ計測技術の発展によって分子レベルの高感度な観測が可能となり,現在では表面の理解やその性状の精密な制御が可能となってきました.
 表面における力学現象としては摩擦と凝着があります.表面に水平方向の力学的相互作用が摩擦,垂直方向のそれが凝着とよばれます. これらを技術的に制御する分野がトライボロジーとよばれる工学分野です. トライボロジー技術はエジプトのピラミッド建造の様子を描いた壁画にも残されているほど歴史の古いものになります(トライボロジー研究の先駆者としてはレオナルドダヴィンチが知られています). トライボロジーの分野においてもナノ計測の発展によって,分子レベルで表面(摩擦力や凝着力)を制御ができる時代になってきました. そこで1990年代に生まれたのがナノトライボロジー(Nanotribology)とよばれる研究分野になります.すなわちナノトライボロジーは,超低摩擦な表面,エネルギーを効率的に伝える表面, 摩耗が発生しない表面などの従来にない画期的な機能性表面を分子レベルから創成する科学技術分野です. これにより機械システムの高エネルギー効率や高耐久性を実現することが可能となります.ナノトライボロジーが貢献できる機械システムは自動車エンジン,鉄道,人工関節,発電タービン, 人工衛星,ハードディスクドライブなど多岐にわたります.福澤研究室では,独自開発のナノ計測法によって超低摩擦,高耐久性,画期的な機能を有する表面を分子レベルから創成することに挑戦しています. 特に本研究室での研究は,自動車エンジンの燃費向上,次世代ハードディスクドライブの実現,人工関節の高寿命化などに貢献することを目指しています.


(左から,HDDのナノトライボロジー(イメージ),エンジンのナノトライボロジー(イメージ),ナノインプリントにより作製した微細表面構造,ナノ計測装置の外観)

ナノトライボロジーに関する研究テーマ

  • 次世代情報記録装置のための先端トライボロジーシステムの開発
  • 低燃費を実現するためのエンジン潤滑技術
  • NEMSやナノインプリントなど次世代ものづくりを支えるナノコーティング

ナノトライボロジーに関する代表的な研究成果
・Shear thinning of nanometer-thick liquid lubricant films measured at high shear rates, Tribology Letters, Vol. 53, 2014.1, pp. 555-567
・Motion Picture Imaging of a Nanometer-thick Liquid Film Dewetting by Ellipsometric Microscopy with a Sub-μm Lateral Resolution, Langmuir, Vol. 24, No. 20, 2008.9, pp. 11645-11650
・Diffusive Motion of Molecules in Submonolayer Liquid Film on Solid Surface, Physical Review E, Vol. 72,No. 6, 2005. 12, pp. 061602-1-061602-7
・Measured Viscous and Dry Friction Forces in Nanometer-Thick Lubricant Film by Friction Force Microscopy with Micromechanical Probe, Tribology Letters, vol. 48, 2012.9, pp. 201-208

・Atmospheric Vapor Phase Deposition of Nanometer-thick Anti-stiction Fluoropolymer Coatings for Silicon Surfaces, Japanese Journal of Applied Physics, in press

ナノ流体工学:Nanofluidics

ナノ流体工学とは?
   ナノスケールの微小空間に閉じ込められた液体は,バルク状態(ビーカーのような大きな容器に入った状態)の液体と全く異なる性質を示します. これは液体分子と微小空間を形成する固体表面との分子間相互作用(ファンデルワールス力に代表される分子同士が互いに引き合う力)が原因です. 固体表面の近傍に存在する液体は,分子間相互作用で流れにくくなったり密度が高くなったりします.ビーカーのような大きな容器に入った状態でも, ビーカー表面にはこのような液体が存在します.ただし,全体の液体の量に比べて極めて微量であるためにその影響は無視できます. ところが容器がナノサイズになるとその影響が無視できません.またどのような影響があるかは未だ十分に解明されていません. 福澤研究室ではナノスケールの液体がもつ特有の性質を独自に確立したナノ計測法により解明することを目指しています. これまでの流体力学の学問体系はバルク状態を前提として確立されてきたため,このようなナノサイズの液体の力学を記述することは困難です. 福澤研究室での研究成果がナノ液体の流体工学を創成する基盤的な知見となると期待されます.
 ナノサイズの液体にはどのような応用があるのでしょうか?ひとつにはmicro-TAS(Total analysis system)とよばれるデバイスがあります. これは医療やバイオ研究に必要な複数の生化学解析を,数センチ角の微小チップ上に集積化したものです.集積化には近年発展めざましい微細加工技術 (マイクロマシニング技術)が用いられます.チップ上にマイクロメートルからナノメートルサイズの流路,反応器,フィルタなどを形成し,DNA溶液,タンパク質溶液,血液,細胞などを解析します. 新しいmicro-TASの設計・開発や高機能化にはナノ流体工学の確立が必須です.他にも燃料電池の開発やナノトライボロジー技術においてもナノ流体の理解が必須です. 福澤研究室での研究成果が広く先端的な工学分野に応用されることが期待されます.ナノ流体の現象解明と同時に,福澤研究室ではナノ流体の特有な性質を応用したmicro-TASデバイスの開発や, 人工関節や医療デバイスの表面制御に利用できる生体適合性ポリマー薄膜に関する研究も行っております.


(DNA解析チップ,マイクロ流路内に形成したDNA分離のための微細構造,ナノ流動工学による人工関節の高耐久性実現(イメージ),ナノ構造体による液体のナノパターニング)

ナノ流体工学に関する研究テーマ

  • 高精度・高速なDNA分析を実現するマイクロ流体デバイスの開発
  • 医療デバイス・人工関節などへの応用を目指した生体適合ポリマーによる表面流動特性の制御
  • ナノ構造体による液体のナノパターニング

ナノ流体工学に関する代表的な研究成果
・Separation of Large DNA Molecules by Size Exclusion Chromatography-based Microchip with On-chip Concentration Structure, Japanese Journal of Applied Physics, in press
・Anisotropic shear viscosity of photoaligned liquid crystal confined in sub-micron-to-nanometer-scale gap widths revealed with simultaneously measured molecular orientation, Langmuir, 2015.9, Vol. 31, 11360-11369
・Control of Wettability of Molecularly Thin Liquid Films by Nanostructures, Langmuir, Vol. 24, 2008.2, pp. 2921-2928
・Nanoscale Patterning of Thin Liquid Films on Solid Surfaces, Applied Physics Letters, Vol. 87 (20), 2005.11.14, pp. 203108-1-203108-3
・Disjoining Pressure Measurements using a Microfabricated Groove for a Molecularly Thin Polymer Liquid Film on a Solid Surface, Journal of Chemical Physics, Vol. 121, No. 9, 2004.9, pp. 4358-4363

バナースペース

福澤研究室 連絡先

准教授 伊藤伸太郎
s_itoh (at) nuem.nagoya-u.ac.jp
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