パルスレーザー光の放射圧を利用した微粒子の吸着力計測法の開発

开发利用脉冲激光辐射压测量细颗粒吸附力的方法

基本信息

批准号：
09555010
负责人：
笹木敬司
金额：
$ 5.57万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
1995
资助国家：
日本
起止时间：
1995 至 1998
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09555010/
关键词：
放射圧微粒子吸着光計測レーザーマニピュレーション

项目摘要

本研究では、集光レーザービームが微粒子によって散乱されるときにフォトンの運動量が受け渡されて発生する力「放射圧」を、微粒子と固体界面の吸着現象を解析するための光バネとして利用し、非接触・非破壊的にファン・デル・ワールス力を計測する新しい手法を開発した。ただし、吸着力は10^<-6>Nオーダーと強く、従来微粒子の操作に用いられてきたCWレーザーの放射圧では比較にならない。そこで、高強度のパルスレーザー(ピークパワー10^5W程度)を微粒子の側から平行光で照射し、瞬間的に発生した強い放射圧が吸着力を上回って微粒子が飛散するときのレーザー光強度から吸着力を求めるシステムを開発した。試作したシステムを用いて微粒子の粒径と吸着力の関係、微粒子に色素をドープして放射圧を増強したときの色素濃度とレーザー光強度しきい値の関係について実験を行い、リフシッツ理論から導かれるハマーカー定数やミー散乱理論による放射圧効率との整合性を確認し、本システムの有効性ならびに測定精度・感度を明らかにした。最近、原子間力顕微鏡を利用して微粒子に作用する微小な力を測定する試みも活発に成されているが、探針が微粒子や溶液と相互作用して系の物理・化学的状態が乱されるとともに、探針に完全に固定された微粒子は本来の挙動が抹消されてしまいin site測定は実現できない。これに対し、放射圧による光バネを用いれば微粒子と基板の吸着力を非接触に直接測定することができる。最近注目されている半導体ナノクリスタル、有機超微粒子、高分子凝集体、ミセル、色素分子会合体などの微粒子においても固体界面との相互作用は重要な課題であり、本システムによりそのメカニズムを解明することで新しい機能材料開発への道が開けるものと期待できる。

在这项研究中，我们利用聚焦激光束被粒子散射时光子动量转移产生的力“辐射压力”作为光学弹簧来分析粒子与固体界面之间的吸附现象，开发了一种新方法来分析粒子与固体界面之间的吸附现象。非接触且非破坏性地测量范德华力。然而，吸附力很强，约为10^-6N，无法与传统上用于操纵细颗粒的连续激光器的辐射压相比。因此，我们从颗粒侧面照射高强度脉冲激光（峰值功率约10^5W）平行光，测量瞬间产生的强辐射压超过吸附力和吸附力时的激光强度。我们开发了一种确定吸附力的系统。利用该原型系统，对细颗粒的粒径与吸附力的关系，以及细颗粒掺杂染料增加辐射压时染料浓度与激光光强阈值的关系进行了实验，得出了结果通过证实该系统与哈默克常数和米氏散射理论计算的辐射压效率的一致性，阐明了该系统的有效性以及测量精度和灵敏度。最近，人们尝试使用原子力显微镜来测量作用在微粒上的微小力，同时，完全固定在探针上的粒子的原始行为消失，使得原位测量变得不可能。另一方面，如果使用利用辐射压力的光学弹簧，则可以以非接触方式直接测量颗粒与基板之间的吸附力。与固体界面的相互作用是最近引起关注的半导体纳米晶体、有机超细颗粒、聚合物聚集体、胶束和染料分子缔合体等细颗粒的重要问题，该系统有望阐明其机理。为新型功能材料的开发铺平道路。