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高分子鎖の接着初期素過程の直接観察に成功 ~単一高分子鎖の非可逆吸着現象から革新的接着技術の構築へ~

 九州大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年12月1日,九州大学大学院 工学研究院/次世代接着技術研究センターの織田 ゆか理 助教,田中 敬二 教授らの研究グループが,接着現象の理解につながる,「固体基板上に存在する孤立高分子鎖が,熱処理とともに形態を変化させて吸着していく様子」を直接観察することに成功した,と発表した.本研究はJSTの未来社会創造事業,および独立行政法人日本学術振興会の科学研究費などの支援を受けて行われ,成果はScientific Reports誌のオンライン版で公開された(注).

 自動車,航空機などの軽量化を目的とし,金属やプラスチック材料を組合せて使用するマルチマテリアル化が進められている.それに伴い部材の接合方法も従来の金属同士の溶接に代わり,ボルト・ナットのような機械的接合法やより軽量な接着工法の導入が検討されている.人命に関わる部分に接着剤接合を採用するには,強度や耐久性を保証し得るように接着機構の十分な理解が必要であるが,これまで接着界面での破壊挙動の分子描像ですら得られてはいなかった.

 研究グループは,接着現象を分子レベルから力学強度に至るマルチスケールで,かつ,時間変化も含めて解析するJSTの「界面マルチスケール4次元解析による革新的接着技術の構築」プロジェクトの一環として,固体基板上の高分子鎖の吸着現象を,原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した.実験に使用した固体基板はマイカ,高分子はポリメタクリル酸メチル(PMMA)である.マイカ基板上に存在する1本のPMMA鎖(長さ300nm程度)を室温(25℃)から55℃まで昇温しながら観察した.昇温の過程で高分子鎖の形状は大きく変化しないが,温度が高くなるにつれ鎖の最大高さ(基板との距離)は0.5nmから0.27nmへと低下し,鎖の太さは細くシャープに見えるようになった.高分子鎖が固体表面に吸着した初期には鎖の一部のセグメントがループ状に盛り上がっていた(ループ構造)ものが,温度が上がるとそれが緩和して基板表面と接するようになった(トレイン構造)と理解される.トレイン構造をとるセグメントは動き難くループ構造に戻ることはないため,高分子鎖の固体表面への吸着は非可逆的である.この考察は全分子動力学(MD)シミュレーションでも裏付けられた.

 固体表面における高分子鎖の吸着現象は,これまで分子振動に基づく解析が主流で,顕微鏡での直接観察は初めてであり,固体表面への高分子鎖の吸着過程が可逆的か否かに明確な答を出した重要な成果といえる.本研究の観察は,被着体表面で接着剤が硬化していく際の素過程に対応しており,接着機構の解明や新たな接着技術の提案につながることが期待される.

(注)Yukari Oda, Daisuke Kawaguchi, Yuma Morimitsu, Satoru Yamamoto, and Keiji Tanaka, "Direct Observation of Morphological Transition for an Adsorbed Single Polymer Chain", Scientific Reports, Vol. 10, Article number: 20914 (2020), DOI: 10.1038/s41598-020-77761-0; Published: 01 December 2020