2024-03-11 東北大学
多元物質科学研究所 教授 陣内浩司
【発表のポイント】
- 接着と剥離は、私たち人類が古くから広く利用してきた現象ですが、そのメカニズムは明確に理解されていませんでした。
- 最先端の透過型電子顕微鏡法（TEM）（注1）による計測と分子シミュレーション（注2）を融合することで、無機材料の表面化学状態（注3）が、有機材料（接着剤（注4））の分子構造や界面剥離挙動、さらに接着強度に大きな影響を与えることを世界で初めて分子レベルで解明しました。
- 本成果は、異なる種類の材料間の接着強度や剥離特性の分子論的理解への道を拓き、輸送機器の軽量・低燃費化や材料の易解体性の向上を通して低炭素・循環型社会の実現に貢献すると期待されます。
【概要】
異種材料間の接着強度や剥離性能を自在に制御するためには、有機材料（接着剤）と無機材料の間の接着・剥離現象を分子レベルから理解する必要があります。しかし、無機材料の”表面化学状態”が接着剤の分子構造や接着強度に与える影響については、今日まで十分に理解されていませんでした。
東北大学 多元物質科学研究所の陣内浩司教授とファインセラミックスセンターらのグループは、新規に開発した接着強度試験法に加え、最先端の電子顕微鏡計測と分子シミュレーションを融合的に用いることで、無機材料の表面化学状態が接着剤の化学組成や分子構造などに与える影響を分子レベルから解明することに初めて成功しました。本研究により接着界面近傍の分子構造と巨視的物性との相関が明らかになり、耐久性に優れた複合材料や環境負荷の小さい接着技術の開発、ひいては持続可能な社会の実現に貢献すると期待されます。
本研究成果は、2024年3月8日（英国時間）に、学術誌Nature Communicationsに公開されました。
図1. 本研究で対象とした接着界面の模式図。化学処理により平滑なSi基板の表面を水酸基（OH）および水素（H）で終端化し、そこに未硬化のエポキシ樹脂を塗布および加熱硬化することで、Si基板の表面化学状態が異なる2種類の接着界面を作製した。環状暗視野STEM観察により、いずれの接着界面も1 nm以下の平滑性を有し、厚さ1~2 nm程度の酸化層が存在することがわかる。
【用語解説】
注1. 透過型電子顕微鏡法（TEM）、走査透過型電子顕微鏡法（STEM）： TEMは、光学顕微鏡法で利用される光の代わりに電子を用いることで、100万倍などの非常に高倍率で観察することができる顕微鏡法。試料上部から照射された電子は、試料中を透過する間に試料との相互作用により散乱・エネルギー損失などの現象を引き起こします。試料下部に配置された検出器で試料を透過してきた電子の強度を記録することで、像観察や化学状態の解析を行います。1 nm以下の径に細く収束した電子線を試料上で走査しながら、各照射点を透過した電子線の強度をプロットすることで2次元画像を構成する観察手法は、走査透過電子顕微鏡法（STEM）と呼ばれます。
注2. 分子シミュレーション：コンピュータを使用して、分子の挙動や相互作用を数値計算すること、またその手法。本研究では、エポキシ樹脂の主剤と硬化剤の架橋反応を組み込んだ反応硬化分子動力学シミュレーションを使用しました。
注3. 表面化学状態：材料の表面に存在する元素の種類や結合状態、官能基や吸着分子の種類や密度などによって決まる化学的な状態。
注4. 接着剤：2つの物体を貼り合わせるために使用される化学物質。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授 陣内 浩司（じんない ひろし）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
