微小時間スケールのコロイド粒子ダイナミクス定量評価手法の確立

微小时间尺度胶体粒子动力学定量评价方法的建立

基本信息

批准号：
18J02101
负责人：
呉羽拓真
金额：
$ 2.33万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題の主目的であるコロイド粒子のダイナミクス評価において、必須の評価法である動的光散乱法(DLS)を駆使することが重要であり、当該年度ではその評価法の確立を行なった。用いたコロイド粒子は、水で膨潤し、やわらかい高分子ゲルからなるハイドロゲル微粒子を採用した。このようなソフトコロイドは、希薄濃度においては通常のコロイド粒子と同様に水中でブラウン運動しているが、濃度を増加させていくと、系内で互いに圧縮されることで変形し、相互貫入することでソフトコロイドガラスと呼ばれるペースト状になる。本研究では、ゲル微粒子の濃度変化に対するダイナミクス変化をDLSにより評価し、その解析手法の確立を行なった。ゲル微粒子は、高濃度時に多重散乱を抑制できるほどの微小サイズのPoly(N-isopropyl acrylamide)からなるゲル微粒子を選択した。解析において、得られる自己相関関数(g2(τ) - 1, 以下ICF)をどのように解釈するかが重要であり、各濃度において特徴的なICFを得た。希薄濃度では従来通りゲル微粒子の並進拡散を観測したが、濃度を増加させると2つの緩和が観測された。一つ目の緩和は、ゲル微粒子自身の拡散が周りの微粒子により阻害されるジャミング化を反映している。もう一つの緩和は、ゲル微粒子内部の高分子網目の協同拡散であると考えられ、拡散係数の転移が観測できた。このダイナミクスの存在はこれまでほとんど議論されておらず、硬質微粒子のガラス化挙動では観測されない特徴的なものである。本実験から、ゲル微粒子懸濁液のダイナミクスはコロイドとゲルの特徴を示し、化粧品や増粘剤等の製品としてだけでなく、光散乱法を駆使したソフトマター物理化学の理解のための有用なモデル材料であることがわかり、DLSによる新たな評価法を確立できたと考えている。

在评估胶体颗粒的动力学（这是本研究主题的主要目的）中，充分利用基本评估方法，动态光散射方法（DLS）很重要，今年我们建立了这种评估方法。所使用的胶质颗粒是由软聚合物凝胶制成的水凝胶细颗粒，这些颗粒散发着水。在稀释的浓度下，这种软胶体在水中像常规胶体颗粒一样在棕色中移动，但是随着浓度的增加，它们在系统中被压缩并变形，当它们互穿时，它们会变成糊状的软胶体玻璃。在这项研究中，使用DLS评估了凝胶颗粒浓度的动态变化，并建立了分析方法。作为凝胶颗粒，选择了小尺寸的聚（N-异丙基丙烯酰胺）组成的凝胶颗粒，可以在高浓度下抑制多个散射。在分析中，重要的是要解释获得的自相关函数（G2（τ）-1，在ICF以下），并且在每个浓度下获得了特征ICF。像以前一样，在稀释浓度下观察到凝胶颗粒的平移扩散，但是当浓度升高时，观察到了两种弛豫。第一个弛豫反映了凝胶颗粒本身的干扰，在周围的微粒抑制了扩散。人们认为另一个放松是聚合物网络在凝胶颗粒内的合作扩散，并且可以观察到扩散系数的过渡。到目前为止，这种动态的存在在很大程度上尚未被唤起，并且是在硬颗粒的玻璃化行为中没有观察到的一个特征。从该实验中，我们可以看到，凝胶颗粒悬浮液的动力学显示了胶体和凝胶的特征，并且它们不仅可以作为化妆品和增稠剂等产品有用，而且还可以使用光散射方法来理解软物质物理学的有用模型，我们相信使用DLS建立了新的评估方法。