界面アーキテクトニクスによる多糖ナノファイバー単層膜の構築と新奇足場機能の創出

多糖纳米纤维单层膜的构建及通过界面结构创造新型支架功能

基本信息

批准号：
22KJ2455
负责人：
石田紘一朗
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology (2023)Kyushu University (2022)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

セルロースナノファイバー(CNF)は樹木から得られる再生可能資源であり、その優れた材料特性から産業的にも大きな注目を集めている。本研究課題では、CNFの吸着・接着性を定量的に表し、材料設計に活用することを目的とした。この吸着性を表すパラメータとして表面自由エネルギー(SFE)と呼ばれる物理量があるが、固体のSFEは直接求めることができないため、SFEが既知の液体の接触角から間接的に評価する方法が一般的である。しかし、ナノサイズの固体粒子に関しては粒子間への液体の浸透等の問題から従来の評価法をそのまま適用することは困難であった。そこで、CNFの膜構造を制御する手法について、申請書に記載した研究実施計画に基づいて研究を行い、液体の浸透の影響や濡れ挙動を検討した。CNF膜を単層-数十層の範囲で正確に制御する手法を開発し、液体の内部浸透の影響を明らかにした他、膜表面粗さの補正を行うことによってCNFのSFEを評価した。得られたSFEは実際のCNFの吸着挙動を良好に表していた。即ちCNF吸着の可否を推定したり、その吸着の駆動力がどのような相互作用に基づくか評価可能であった。CNFは高強度材料であるため、他の材料の補強材としての複合化が盛んに研究されている。そこで、CNFの表面化学改質によってSFEを制御し、様々な材料とCNFの吸着を介した複合化を可能にすると共に、吸着機構がどのように変化するかを明らかにした。また、CNF膜の構造制御を行う過程において、CNFが高度に配向しつつ屈曲したCNF単層膜の構築に初めて成功すると共に、その膜表面において配向方向に応じた異方的摩擦特性が発現されることを明らかにした。これらの手法はCNFに対するものであるが、カーボンナノチューブ等の他のナノ材料に対しても適用可能であることから、広範な分野への応用が期待される。

纤维素纳米纤维（CNF）是一种从树木中获得的可再生资源，由于其优异的材料性能而引起了工业界的广泛关注。该研究项目的目的是定量表达 CNF 的吸附和粘合特性，并将其用于材料设计。有一个称为表面自由能（SFE）的物理量作为表达这种吸附性质的参数，但由于固体的SFE无法直接确定，因此通常根据液体的已知接触角来间接评估SFE。。然而，由于液体在颗粒之间渗透等问题，传统的评价方法很难直接应用于纳米尺寸的固体颗粒。因此，我们根据申请中所述的研究实施计划，对控制CNF膜结构的方法进行了研究，并检验了液体渗透和润湿行为的影响。我们开发了一种精确控制单层至数十层CNF膜的方法，阐明了内部液体渗透的影响，并通过校正膜表面粗糙度来评估CNF的SFE。得到的SFE很好地代表了CNF的实际吸附行为。换句话说，可以估计CNF是否可以被吸附，并且可以评估吸附的驱动力基于什么样的相互作用。由于CNF是一种高强度材料，因此正在积极研究其与其他材料组合作为增强材料的用途。因此，我们通过对CNF表面进行化学修饰来控制SFE，使得CNF能够通过吸附与各种材料结合，并阐明了吸附机制是如何变化的。此外，在控制CNF薄膜结构的过程中，我们首次成功构建了CNF单层薄膜，其中CNF高度取向和弯曲，薄膜表面根据取向呈现出各向异性摩擦特性据透露，方向。虽然这些方法是针对CNF的，但它们也可以应用于碳纳米管等其他纳米材料，因此有望应用于更广泛的领域。