Investigation of rheological properties of hetero-colloidal suspensions toward the prediction of transport phenomena in soil and water environments

研究异质胶体悬浮液的流变特性以预测土壤和水环境中的传输现象

基本信息

批准号：
17J00332
负责人：
山口敦史
金额：
$ 1.6万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，農村工学的な物質輸送の予測・制御技術の高度化に資するため，異符号に帯電した無機・有機コロイドからなる混合懸濁液のレオロジー特性を，粒子間相互作用の観点から明らかにすることを目的としている．この目的を達成すべく，モデル系としてシリカ粒子とリゾチームを用いて研究を行っている．その過程で，リゾチームの最大吸着量がシリカ粒子間の相互作用を理解するための重要なカギであるとの着想を得た．そこで，令和元年度には，リゾチームを含むナノサイズを持つ粒子の最大吸着量を支配する要因について研究を行った．主な成果は以下の通りである．既往研究において，ポリアミドアミンデンドリマー（PAMAM）の最大吸着量を既存の理論モデルが過小評価することが指摘されており，この原因として，吸着に伴うPAMAMの変形が理論モデルでは表現されていないことが推測された．そこで，帯電した基板上に存在する変形前後のPAMAM間の相互作用を有限要素法を用いて計算することで，変形の影響を調べた．その結果，変形後を仮定した半球状粒子間の静電反発ポテンシャルが，変形前を仮定した球状粒子間の静電反発ポテンシャルに比べて小さいことが見出された．このことから，PAMAMは吸着に伴って変形することで互いに近づいて吸着できるようになり，最大吸着量が増加するものと結論付けた．昨年度までの研究から，リゾチームのシリカ表面への吸着において，吸着したリゾチームが表面拡散することが最大吸着量を決める要因の一つとして考えられた．そこで，水晶振動子マイクロバランスを用いて吸着量の時間変化を測定した．ここでは，吸着が進行しリゾチームの吸着速度が著しく減少した後も，共振周波数の緩やかな減少が観察された．このことは，シリカ表面がリゾチームにある程度覆われた後も，表面拡散によって空いた表面が作られ，そこに新たなリゾチームが吸着することを示唆している．

本研究旨在从颗粒间相互作用的角度阐明带相反符号的无机和有机胶体组成的混合悬浮液的流变特性，以期为农村工程中质量输送的预测和控制技术的进步做出贡献。到为了实现这一目标，我们正在使用二氧化硅颗粒和溶菌酶作为模型系统进行研究。在此过程中，我想到溶菌酶的最大吸附量是理解二氧化硅颗粒之间相互作用的重要关键。因此，2019年，我们对影响含溶菌酶纳米颗粒最大吸附量的因素进行了研究。主要结果如下。先前的研究指出，现有的理论模型低估了聚酰胺胺树枝状聚合物（PAMAM）的最大吸附量，其原因是PAMAM因吸附而产生的变形并未在理论模型中得到体现。因此，我们通过使用有限元方法计算变形前后 PAMAM 与带电基底之间的相互作用来研究变形的影响。结果发现，变形后假定的半球形颗粒之间的静电排斥电位小于变形前假定的球形颗粒之间的静电排斥电位。由此得出结论，PAMAM在吸附时发生变形，使它们彼此靠近并吸附，从而增加了最大吸附量。根据去年进行的研究，人们认为，当溶菌酶吸附到二氧化硅表面时，吸附的溶菌酶的表面扩散是决定最大吸附量的因素之一。因此，我们使用石英晶体微天平测量了吸附量随时间的变化。这里，即使在吸附进行并且溶菌酶的吸附率显着降低之后，也观察到共振频率逐渐降低。这表明，即使二氧化硅表面被溶菌酶覆盖到一定程度，也会通过表面扩散产生空的表面，并且新的溶菌酶被吸附在那里。