【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.24】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23HK0073
利用課題名 / Title
無潤滑条件下における微細構造による固体摩擦の制御
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
平井 悠司
所属名 / Affiliation
千歳科学技術大学応用化学生物学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
浅野祥大,斎藤椋
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
松尾保孝
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
HK-302：電界放出形走査電子顕微鏡
HK-605：レーザー直接描画装置
HK-606：マスクアライナ
HK-611：多元スパッタ装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
自然界には表面の微細な構造により様々な機能を生み出している生物が多数存在しており、それらの微細構造を材料表面に形成させることで様々な機能を付加することが可能なバイオミメティクス研究が注目を集めている。本研究では摩擦現象に着目し、ヘビ体表にあるような微細構造を金属を用いて作製し、微細構造が摩擦力にどのような影響を及ぼすのかを調査した。リソグラフィ技術と電気鋳造技術を組み合わせ、マイクロスケールのニッケル微小溝構造を作製、走査型電子顕微鏡にて構造を確認し、摩擦力を測定すると、摺動方向と微小溝が直交するとき、摩擦係数が大きく低下することが明らかとなった。
実験 / Experimental
フォトリソグラフィ技術を利用し、フォトレジストであるSU-8を用いてマイクロスケールの微小溝構造を作製した。このサンプルをマスター基板とし、ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ニッケルの順に構造転写を行った。また、比較としてマイカを利用して平滑なニッケル表面も準備した。作製したサンプルは直径3~10 mmのステンレス球を圧子として用いて摩擦力を測定し、摩擦測定前後の電子顕微鏡観察により、表面微細構造が摩擦力に与える影響を考察した。
結果と考察 / Results and Discussion
電気鋳造後のサンプル表面を電子顕微鏡で観察すると、SU-8で作製した微小溝構造と同様の構造がニッケルによって形成していることが確認できた。作製したニッケル微小溝構造の摩擦力を測定すると、摺動方向と微小溝が直交するとき摩擦力が一番低く、次いで平滑表面、そして溝構造と同じ摺動方向の順で摩擦力が高くなっていた。また荷重を変えて摩擦力測定を行うと、直交方向でのみ摩擦係数が荷重に反比例して低下する現象が観察された。摩擦力測定後のサンプル表面を電子顕微鏡で観察すると、直交方向のみ、溝構造は潰れた変形をしているだけで、他の摺動方向のように大きく破壊されていなかった。このような摺動時の摩耗破壊状態の違いにより、直交方向のみ荷重と真実接触面積が比例せず、摩擦係数が低下したと考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 作製したニッケル微細構造のレーザ顕微鏡３D像
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Y. Shimada, Influencing role of anisotropic metal microstructures on friction force, Molecular Crystals and Liquid Crystals, 768, 158-167(2024).
DOI: 10.1080/15421406.2024.2323753
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Kazuma Tsujioka, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura and Yasutaka Matsuo, The effect of hierarchical surface microstructures of Necrophila japonica on friction properties, The 13th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2023), 札幌, 2023年7月21日
- Yohei Shimada, Kazuma Tsujioka, Yasutaka Matsuo, Masatsugu Shimomura and Yuji Hirai, Influence of the Anisotropic Metal Microstructures on Friction Force, KJF-ICOMEP 2023, 福岡、2023年8月31日
- 辻岡 一眞, 平井 悠司, 下村 政嗣, 松尾 保孝, オオヒラタシデムシから学ぶ階層的な表面微細構造による摩擦低減, 第72回高分子討論会, 高松, 2023年9月28日
- Kazuma Tsujioka, Yuji Hirai, Masatsugu Shimomura and Yasutaka Matsuo, Comparison of clingfish-learning adhesive materials using nanoparticles or nanofilaments on adhesive properties, The 24th RIES-HOKUDAI International Symposium, 札幌、2023年12月6日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件