ナノトライボロジー
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ナノトライボロジー（英: Nanotribology）とはトライボロジー（摩擦学）の領域の一つで、原子間相互作用と量子効果が無視できなくなるナノスケールにおいて、摩擦や摩耗、凝着、潤滑のような現象がどのようにあらわれるかを研究する。その目標は、基礎・応用の両面から物質表面の性質を解明し制御するところにある。
初期のナノトライボロジー研究ではもっぱら実験による直接的な研究が行われており、走査型トンネル顕微鏡 (STM)、原子間力顕微鏡 (AFM)、表面力装置(SFA) など、極めて高い分解能で表面特性を分析できる各種の顕微法がその主役を担っていた。現在では、計算手法および計算機性能の発展の恩恵で、計算科学的な手法による研究も可能になった。
ナノスケールで表面トポロジーを変化させると、摩擦は弱まることも強まることもある。その変化の幅は巨視的なスケールの潤滑や凝着からは考えられないほど大きく、超潤滑や超凝着と呼ばれる現象さえ実現できる。極めて高い比表面積を持つマイクロマシン・ナノマシンでは摩擦と摩耗が決定的に問題となるが、可動部分に超潤滑性を持つコーティングを施すことで解決できる。また、凝着に関する問題もナノトライボロジー技術によって乗り越えられる可能性がある。
歴史
摩擦と摩耗は古代から技術上の問題であり続けてきた。過去数世紀にわたって、摩擦のメカニズムを解き明かそうとする科学研究は、トライボロジーの巨視的な側面のみに狙いを絞っていた。近年のナノトライボロジー研究では、体積力（質量や重力と関係する力）が表面力と比べて無視できるようなナノ構造に関心が移っている。そのような系を研究するための科学機器は20世紀後半にようやく登場した。1969年には、平滑面でサンドイッチされた分子サイズの厚みを持つ液膜の挙動をSFAによって研究する手法が初めて開発された[1]。これを皮切りとして、1980年代の研究者たちは固体表面を原子スケールで研究するために様々な技術を生み出した。
ナノスケールで摩擦や摩耗を直接観察することを可能にしたのは、ゲルト・ビーニッヒとハインリッヒ・ローラーが1981年に開発した、原子レベルで物質表面の三次元像を撮影できる装置、走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope、STM）であった[2]。STMでは導電性の試料しか扱うことができないが、1985年にビーニッヒらが開発した原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope、AFM）が絶縁性試料を観察する道を開いた[3]。後にAFMは垂直力だけではなく摩擦力をも測定できるように改良され、摩擦力顕微鏡 (Friction Force Microscope、FFM）または水平力顕微鏡（Lateral Force Microsccope、LFM）という名がつけられた。
21世紀初頭からは、コンピュータを使った原子シミュレーション手法によって個々のアスペリティ[† 1]の挙動が研究されるようになった。少数個の原子からなるアスペリティさえ扱うことができるようになると、物質中の化学結合や相互作用の性質が高い空間・時間分解能で理解されるようになった。
表面分析
表面力装置
表面力装置（Surface Forces Apparatus、SFA）とは、凝着力、液体や蒸気における毛管力、van der Waals相互作用など、二つの表面の間にはたらく物理的な力を測定する装置である[4]。1969年にこの種の装置が初めて報告されて以来、数々のバージョンが開発されてきた。
SFA 2000はそれまでの表面力装置よりも構成が単純で使いやすくクリーンな機種であり、薄膜、ポリマー、ナノ粒子、多糖類のナノトライボロジー研究に用いられる機器として最先端のものの一つである。SFA2000のカンチレバーはコイルばねによる機械的な粗動機構と圧電素子による電気的な微動機構を備えており、その運動は7桁におよぶ制御が可能である。極めて微細な制御が行えるため、1 Å以下の位置精度を実現できる。試料は分子レベルで平滑な二枚のマイカ表面にエピタキシャルに成長させられる。[4]
二つの表面が間隔 D で静止したとき、垂直力 Fnormal(D) は次の簡単な関係式によって求められる。
右図から以下の関係がわかる。
-
凝着が無視できない場合、負荷の過程では、凝着力は押し込み仕事に寄与するため押し込み深さが増加する。逆に除荷の過程では、凝着力は変位を阻害し、負の荷重（引力）さえ生じる。
凝着研究の応用
凝着現象は薄膜において重要性が高い。薄膜では、基板表面とのミスマッチが原因で内部応力が生じ、界面剥離につながる問題があるためである。圧子によって垂直荷重が印加されると、薄膜は塑性変形を起こし、荷重が臨界値に達したところで止まる。ここで界面破壊が進行し始める。界面のクラックは放射状に伝播していき、最終的に薄膜が屈曲して止まる。
そのほか、バイオミメティクスの応用でも凝着が研究されている。昆虫やクモ、トカゲ、ヤモリなどの生物が発達させたユニークな登攀能力を人工的な物質によって再現しようという試みである。多層にわたる階層構造が凝着性を高めることがわかっており、ヤモリの足の組織を模した合成接着剤がナノ加工技術と自己集合によって作り出された[33]。
摩耗
詳細は「摩耗」を参照摩耗という現象は、機械的な作用による表面物質の脱落や変形に起因する。ナノスケールの摩耗は面に対して一様に作用することはない。二つの接触面が相対運動を行うと、表面で物質の脱落や変形が起こり、結果として不規則な凹凸が生まれる。相対運動が続くとこれらの凹みの幅や深さは増加していく。
巨視的なスケールでは、摩耗は摩耗量（損失した物質の体積もしくは質量）もしくは摩耗率（摩耗仕事もしくは摩耗距離に対する摩耗量の比）で測られる。ナノサイズでは物質の損失量を測定することが困難なため、表面トポロジーの変化をAFMで測定することによって摩耗を評価する[34]。
脚注
注釈
- ^ 物質表面には微視的な凹凸があるが、その突出部をいう。二つの表面が接触するとき、実際には多数のアスペリティの突端だけで接触が起こっている。
- ^ 表面モルフォロジー（surface morphology）とは定性的な形状を意味し、表面トポロジー（surface topology）は定量的に測定された表面構造を意味する[7][8]。
- ^ 探針先端が急に試料表面に吸い付けられる現象。
- ^ 試料が薄く、弾性率が基板と異なるような場合に、圧痕周辺の表面が盛り上がったり凹んだりする現象[15]。
出典
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関連項目
- トムリンソンモデル
外部リンク
ナノトライボロジー（nano-tribology）
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