配分額：16490000円 （ 直接経費：15800000円 、 間接経費：690000円 ）

細菌のベん毛繊維はフラジェリンと呼ばれるタンパク質が重合して、らせん形の繊維を形成したもので、船のスクリューに相当する。サルモネラ菌はこのようなスクリューとモーターが複数付いており、それらを同期させて一方向に進んでいる。モーターはいろいろな方向を向いているので、べん毛繊維を揃えるためには、回転方向を変換する「自在継ぎ手」が必要である。そのためにフックと呼ばれるタンパク質でできた自在継ぎ手がモーターとべん毛繊維の間についている。この継ぎ手は毎分1万回転以上で回転する高速回転をべん毛繊維に伝えるだけではなく、方向転換の時、べん毛の方向が変わってもモーターの回転を速やかに、また滑らかに伝えなければならない。そこで当研究では、フック繊維の力学的特性を求め、タンパク質の自在継ぎ手の原理を求めることを目的とした。研究で得られた成果は以下のようである。
1.フック繊維が長く伸びたスーパーポリフック株を用いて長さが数ミクロンのフック繊維を単離した
2.フックの遺伝子を増強したサルモネラ菌を用いてフックタンパク質を大量生成した
3.フック繊維を急速凍結・凍結乾燥してらせんピッチと直径の揺らぎの計測をした
4.べん毛繊維の電子顕微鏡負染色像かららせんピッチと直径のゆらぎを計測した
5.3・4の結果とべん毛繊維剛性率の文献値からフックの剛性率が3.3×10^7Paであることを求めた
6.べん毛繊維を蛍光染色し、ナノマニュピレータを用いて蛍光顕微鏡下で操作するシステムを構築した
7.直径が約1ミクロンのガラス細管にフラジェラ抗体をつけべん毛繊維を捕捉することに成功した
現在6,7の成果を発展させ水溶液中でのべん毛繊維の剛性率を計測する実験を継続している

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配分額：3600000円 （ 直接経費：3600000円 ）

この研究の目的はナノマシンの駆動及び潤滑機構のモデルとして,機械と似た構造を有し,生きているナノマシンというべきバクテリアべん毛モータの潤滑・駆動機構及び自己組織化機構を解明することにある.
我々のこれまでの研究によって,ナノマシンの世界では,徒来の機械工学において非常に有効であると考えられた流体潤滑が,ナノマシンの世界では効率的な潤滑法ではないことを示した.しかしバクテリアべん毛モータの軸受部の構造は,従来のジャーナル軸受と同じ構造をしているように見える.(この構造はPLリングと呼ばれている)この外見的一致が偶然なのか必然なのか,我々はこの問題の答えを見出すことがナノマシン潤滑技術を開発するためのキーポイントと考え,バクテリアべん毛モータの潤滑機構を解明するためにまず理論的な解析を行った.
結果最初に流体滴滑理論を用いてべん毛モータ軸受部の解析を行った.この解析の結果からやはり,バクテリアべん毛モータの軸受は従来の機械の軸受と構造的には類似しているが,実際は物理的に異なった潤滑機構を利用している可能性が高いことが示した.そこで,この軸受け構造によって十分な負荷容量を生じる新しい潤滑機構として,従来の流体潤滑に替わり疎水コロイドの安定性の原因である拡散電気二重層の効果を用いた潤滑機構(DVLO理論)の負荷容量計算の定式化を行った.そしてこの拡散電気二重層の効果によってPLリングに要求される負荷容量を生成できることを示した.また電荷の非対称性の影響についても調べ対称な電荷分布が効率の良い負荷容量を生成することがわかった.
この数値計算により,バクテリアべん毛モータはラジアル方向に拡散電気二重層の効果によって,またアキシャル方向には分子間力によって負荷容量を生成していることがわかった.このような効果の使い分けは,即ち潤滑機構と潤滑機構に拮抗する分子間力の役割を検討しなおすことにより,べん毛モータが自発的に組立てられる機構,即ち自己組織化機構に関する知見を得た
またプロトンチャンネル及びナトリウムチャンネルを有するべん毛モータ駆動機構を比較を行った.

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配分額：3200000円 （ 直接経費：3200000円 ）

本研究の目的は、吸着分子膜のレオロジー特性を考慮した境界潤滑領域の摩擦特性を定量的に予測するために必要な境界膜の被覆率を測定することである。
境界潤滑膜の摩擦特性をあきらかにするために、ある条件(すべり速度,温度)の下で,吸着膜がどの程度の割合で接触面に存在するか(接触面での被覆率)を明らかにする必要がある。本研究では、軽荷重(mN、MPaオーダ)・極低速(μm/s)における被覆状態を、エリプソメトリおよび,ブリュースター角顕微鏡によって,摩擦直後のしゅう動面を観察することによって測定する。また、従来行ってきた100%被覆している状態(LB膜類似吸着膜)の摩擦特性から吸着膜のレオロジー特性を推定することで,混合潤滑の総合的な摩擦特性を説明できるようになるが,装置の改良による被覆率測定法の確立と,いくつかのパラメータを振った場合の境界膜の被覆率測定を試みた.
エリプソメトリ・ブリュースター角顕微鏡測定で問題となった粗さのある面の微小な面の傾きによる影響は除去するのが非常に難しいことがわかった.
また境界膜(吸着膜)の特性,とくに吸着膜の空間的な分布と表面の高さ分布を把握するために既存の走査型プローブ顕微鏡のAFM, FFM,交流FFMなどを使って,面圧,しゅう動速度,温度をパラメータとしてしゅう動時の被覆率がどのように変化するのかについてデータを収集し被覆率を推定するための摩擦係数のマッピングを行った.

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配分額：3500000円 （ 直接経費：3500000円 ）

この研究の目的は現在開発の基礎研究が着手され始めたナノマシンの駆動及び潤滑機構のモデルとして,生きているナノマシンというべきバクテリアべん毛モータの潤滑・駆動機構及び自己組織化機構を解明することにある.
我々のこれまでの研究によって,ナノマシンの世界では,従来の潤滑技術では良好な潤滑状況が構成することが困難であることがわかってきた.即ち従来非常に有効であると考えられた流体潤滑が,ナノマシンの世界では効率的な潤滑法ではないことが判明した.しかしバクテリアべん毛モータの軸受部の構造は,従来のジャーナル軸受と同じ構造をしているように見える.(この構造はPLリングと呼ばれている)
この外見的一致が偶然なのか必然なのか,我々はこの問題の答えを見出すことがナノマシン潤滑技術を開発するためのキーポイントと考え,バクテリアべん毛モータの潤滑機構を解明するためにまず理論的な解析を行った.
結果最初に流体潤滑理論を用いてべん毛モータ軸受部の解析を行った.この解析の結果からやはり,バクテリアべん毛モータの軸受は従来の機械の軸受と構造には類似しているが,実際は物理的に異なった潤滑機構を利用している可能性が高いことが示された.そこで,この従来と似た軸受構造によって十分な負荷容量を生じる潤滑機構として従来の流体潤滑に替わり疎水コロイドの安定性の原因である拡散電気二十層の効果を用いた潤滑機構(DVLO理論)の負荷容量計算の定式化を行った.そしてこの拡散電気二十層の効果によってPLリングに要求される負荷容量を生成できることを示した.また電荷の非対称性の影響についても調べ対称な電荷分布が効率の良い負荷容量を生成することがw買った.
この研究によって生物の潤滑機構をナノマシンの潤滑機構に応用できる可能性を示すことが出来た.べん毛モータには,この他にも機械のユニバーサルジョイントの役目を果たすフックと呼ばれる機構が存在する.このフックが如何にしてユニバーサルジョイントの役目をしているかについての基礎研究及び,プロトンチャンネル及びナトリウムチャンネルを有するべん毛モータ駆動機構を比較を行った.
またこの潤滑機構と潤滑機構に拮抗する分子間力の役割を検討しなおすことにより,べん毛モータが自発的に組立てられる機構,即ち自己組織化機構に関する知見を得た

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配分額：3600000円 （ 直接経費：3600000円 ）

本テーマは,「粗さを持つすべり接触面の摩耗率の急激な上昇が,表面下の降伏領域のオーダが微小突起レベルから見かけの接触部のレベルへと移るためである」としたBurwell-Strangの摩耗状態の遷移に関する仮説を実験的に検証することを目的とし、下記の試みを行った。
1.まずBurwell-Strangの概念に基づくすべり線場理論解析と比較するため、単一突起に着目し、市販の金属顕微鏡を用いて断面方向の変形を観察する装置を開発した。硬い面にある粗さ突起を模した硬質くさびを軟らかい平滑面に押しつけ,荷重をかけながら相対すべりを行うことにより変形させ、あらかじめ軟かい面の側面にきっておいた格子の変形を観察した。
2.申請者らによるすべり線場モデルによる数値解析結果と有限要素解析結果との比較を行い、モデルによる予測結果と良い一致を示すことがわかった。有限要素解析結果との比較により理論を補正し、遷移圧力条件の推定の高精度化を行った.また垂直応力およびせん断応力がかかる場合の真実接触点分布を数値解析で見積もった。
3.ランダムな粗さ面の接触における遷移圧力を実験的に見積もることを目的に,全反射顕微鏡を用いた真実接触点観察装置を製作した.また,本装置は荷重をかけた状態ですべり運動が可能であるが,まず予備的な実験として,ブラスト加工によるランダムな粗さ面の接触における垂直荷重のみの増加による真実接触点の成長・増加の様子を観察し,遷移圧力推定のための理論の検証実験に用いる性能を十分に持つことを確認した.
なお,今後は,本年度に製作した観察装置を用いて,垂直荷重や粗さやすべりの影響による真実接触点の変化の様子を詳細に調べ,幅広い接触状態に対応できる摩耗状態遷移圧力の推定理論の構築を試みていく.

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配分額：2800000円 （ 直接経費：2800000円 ）

本研究では、宇宙環境下の摺動部へ、最小限必要な液体潤滑を給油する方法の一つとして、液体潤滑剤と給油系材料表面との間の表面エネルギーの勾配、例えば濡れ性の局所的な違い、を利用した液体輸送法について提案し、その成立条件、給油量、実用化する場合の問題点を把握し、本給油法の実現可能性を評価することを目的として、本年は大気圧下において表面エネルギー勾配をもった表面を試作し、宇宙環境下で使用されている潤滑剤をその表面に滴下したときに油膜が広がる様子の測定を行うことを目標とした。
第一の目標である「表面エネルギー勾配をもった表面の試作」では、平成14年度の研究結果より「表面コーティング」が最も現実的という結論に達したので、今年度はそのコーティグ膜の試作を行った。コーティング膜としては、DLC(Diamond Like Carbon)が強度も十分にあり、製膜時に原料ガスのメタン以外にフッ化炭素ガスを添加して、その濃度によって膜中のフッ素量を制御できるので、それを選択した。ここでは、さらに表面エネルギーを制御するために、アルゴンと酸素のプラズマに暴露した。その結果、濡れ性の異なる表面を作成することができた。そこで、試験用の表面として、表面エネルギーの異なる薄膜を帯状に配置した表面を準備した。
第二の目標である「給油状態評価」では、液滴界面の広がり状態の把握に光学顕微鏡による「気液界面観察」を,給油状態の確認にレーザー誘起蛍光法および白色光源と分光計を用いた光干渉法による「油膜厚さ計測」を試みた。その結果、液滴が試料表面を広がる様子が観察されたとともに、高分解能で表面に付着した油膜厚さを数μmから10nmの広い範囲にわたって計測することができ、表面エネルギーの異なる薄膜を帯状に配置した表面でも、液体輸送に有効であることが確認できた。

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配分額：900000円 （ 直接経費：900000円 ）

本研究は,摩耗がマイルド摩耗から,シビア摩耗へと遷移していく現象を明らかにするため,BurwellとStrangの遷移モデルを取り上げ,直接観察によるモデルの検証を試みた.すなわち,ランダムな分布の表面粗さを持つ表面が接触した際,垂直・接線荷重の変化に伴って粗さ突起の真実接触点や見かけの接触点がどう変形するのかを測定することによりモデルを検証し,摩耗形態理論の基礎を構築することを意図した.
まず,BurwellとStrangの概念に基づき,ChangとEtsionらの粗さ面弾塑性接触理論とJohnsonの剛体球による弾塑性平面押し込みモデルを組み合わせた臨界圧力の推定を行った.更に相対すべりによる影響についても検討した.
次に様々な条件下で接触部を微小送りさせながらせん断荷重を付加し,粗さ突起レベルの変形を測定し,真実接触点のみが降伏状態にある軽荷重から見かけの接触面全体が降伏状態にある重荷重へ遷移する点を測定するために十分な送り機構と測定法について評価を行った.当初,ピエゾステージによりnmオーダで微小送りさせる方針であったが,静的に接触させたときに発生する突起変形と,微小送りさせたことによる突起変形の分離を行うことが当該期間内にできなかったため,モータによって400μmすべらせたのち,凝着観察することとした.
試験において,垂直力と接線力を同時に測定し,観察結果と計算結果を比較した.また,摩耗形態の遷移条件におよぼす面圧,せん断応力,材料のヤング率,硬さといった力学的な特性,表面粗さや形状といった幾何学的な状態,表面のせん断強さの影響について,調べた.なお,ナノ送り機構を用いた接触点の変形の直接観察については,測定まで至らなかったため,今後引き続いて行う予定である.

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配分額：3500000円 （ 直接経費：3500000円 ）

本研究では,べん毛モーターの構造について研究している協同研究者の一人(相沢)の協力により、彼が構造解析によって明らかにしたべん毛モーターの部品の構造を用い,具体的にべん毛モーターの実際の構造に近いモデルを作り上げ、流体古典的な潤滑理論の手法を用いてべん毛モータの軸受けが潤滑可能であるかを調べた.べん毛の運動を推進力に変換する機構を流体力学的に研究するべん毛のスケールを考えると通常の流体力学的計算のみでは不十分で分子の大きさの効果やブラウン運動の影響も考えた運動解析が必要である.今年度は流体力学的計算は研究分担者の二人が(中野,桃園)が担当し、まず古典的な数値解を得た.その結果古典的な理論からは潤滑が困難であるとい結果を得た.べん毛モータの場合にはマクロな系では問題にならなかった分子間力の効果も重要になるが、この効果はさらに潤滑状況を悪化させることもわかった.従ってなんらかの非古典的潤滑機構の存在が示唆された.このような潤滑機構として考察した機構には電荷の離散性の効果,拡散電気2重層の効果,超潤滑の効果などがある.来年度においてここに述べた効果の定量的評価をおこなう.
またべん毛モーターの軸受け部分の摩擦に関する理論的な解析を目的としてべん毛モータの表面粗さを特徴づける量を由出するためウェーブレットを用いた.今年度はウェーブレットをべん毛の表面粗さ解析に用いるための数学的枠組みを構成した.
流体古典的な潤滑理論の手法を用いてべん毛モータの軸受けが潤滑可能であるかを調べた去年の結果から、べん毛のスケールを考えると通常の流体力学的計算のみでは不十分で分子の大きさの効果やブラウン運動の影響も考えた運動解析が必要であることがわかったので,今年度は拡散電気二重層の効果を取り入れ、この効果によってどの程度の潤滑性能を達成することができるか似ついて研究分担者の二人が(中野,桃園)が担当し、まず古典的な数値解を得た.
その結果拡散電気二重層によって分子間力を相殺するために十分な反発力を得ることができるという結果を得た.この他の非古典的潤滑機構の存在として考察した機構には電荷の離散性の効果がある.電荷の離散性の効果も定量的評価をおこなった.バクテリア内部で妥当と思われるイオン濃度において,この離散性の効果もまた、分子間力と拮抗する反発力を得ることができることが分かった.
またべん毛モーターの軸受け部分の摩擦に関する理論的な解析を目的としてべん毛モータの表面粗さを特徴づける量を抽出するためウェーブレットを用いた昨年度構成したウェーブレットをべん毛の表面粗さ解析に用いるための数学的枠組みを用い分子の大きさと同じ程度の領域における粗さと形状の分離を試みた.

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配分額：3800000円 （ 直接経費：3800000円 ）

冷媒雰囲気下では,冷媒分子がしゅう動面に吸着膜あるいは反応膜を形成し,しゅう動面を保護している場合のあることが知られている.しかしその反応膜の特性,とくに摩擦特性についてはあまり知られていないのが現状である.そこで,本研究は,混合潤滑状態での境界摩擦特性に及ぼす添加剤の反応膜の影響を定量的に求めることを目的として行った.まず,混合潤滑における荷重分担比を正確に見積もるために,冷媒が混合した潤滑油の粘度特性を知る必要がある.このため,ボールオンディスク型の摩擦試験機を用い,顕微型フーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)によって潤滑面を直接測定し,得られた冷媒と油の吸光度の比から冷媒の溶解度を求めた.同時に潤滑膜の厚さを測定し,冷媒溶解度と潤滑状態や,冷媒の粘度との相関を求めた.その結果,粘度については鉱油同士の混合の場合によく用いられているSo-Klusの式が冷媒の溶解に対しても成立することを確認した.次に,冷媒雰囲気下摩擦試験機を用いて摩擦試験を行い,また,上記粘度特性を用いた混合潤滑解析も行って境界潤滑摩擦係数を同定した.境界摩擦係数については,混合潤滑域での推定値と,境界摩擦域における値が一致しない場合があり,潤滑状態によっては一定値となるとは限らないことが確かめられた.ただし,境界摩擦係数の各種パラメータ(速度,温度,荷重,雰囲気圧力など)に対する影響や定量的な推定については今後の課題である.

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配分額：6900000円 （ 直接経費：6900000円 ）

本研究は,すべり軸受や油圧機器のピストン・シリンダ間などでみられる,摺動部の片当りによる変形部の接触問題について,実用的な混合潤滑特性の解析手法を確立するために,表面粗さを無視したときの高精度の大変形3次元弾性接触解析,表面粗さを考慮した微視的接触解析,および油膜圧力と弾性変形の相互作用の計算法,更に上記全てを連立させた場合の計算の収束性の改良法を見出すことを目的として行われた.
解析はピストンポンプ・モータを想定したピストン-シリンダ間を対象としておこなった.まず,油膜のない状態での接触点すなわち応力集中域のメッシュを細かくとったFEM解析を,荷重のつりあいに基づいて行い,接触応力,接触領域,弾性変形後の形状を得た.それを元に,接触点の形状が円筒などの従来のEHL膜厚式が使えるものは膜厚式を用い,使えない場合はErtel-Grubinの近似理論を適用し,油膜厚さを計算した.混合潤滑については荷重分担比から油膜厚さを求めなければならないが,近似理論では荷重分担比の影響が計算できないため,近似理論により得られた膜厚さから等価半径を求めて従来のEHL膜厚式を使った.これにより,弾性変形量が油膜厚さの10倍を越える場合においても混合潤滑解析が実用的に行えるようになった.
さらに,解析で用いたモデルにおいて,ピストン-シリンタの変形を静電容量法を用いて測定を行った.また,接触点を特定するために赤外線放射温度計により,非接触で測定するためモデル実験を行ったが,弾性変形の測定と同時に行うまでには至っておらず,今後の課題として残った.

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配分額：12600000円 （ 直接経費：12600000円 ）

本研究は,冷媒圧縮機の設計開発に有効な実験データを効率良く収集できる標準的試験機の確立を目的として,行われた.
平成8年度には,まず,冷媒雰囲気中の接触部の混合潤滑特性を模擬できる数値解析プログラムの作成を行った.こののプログラムでは,弾性流体潤滑と固体接触が混在した部分弾性流体潤滑状態での基油の高圧粘度特性と非ニュートン粘性特性および添加剤の境界潤滑特性を定量的に評価するために,表面あらさを考慮した流体潤滑方程式,弾性方程式,すきまと接触荷重の関係の接触方程式を連立させ,さらに,接触部と粘性せん断の発熱及び非ニュートン粘性を考慮している.次に作成したプログラムと従来型試験機を用いた予備実験により冷媒(代替フロン)中のしゅう動面間の摩擦特性を測定するための標準的試験機に必要な仕様の策定を行い策定された仕様に基づいた試験機の設計・製作をおこなった.
平成9年度は,製作した試験機を用いて,現在候補に挙がっている代替冷媒と潤滑剤(基油/添加剤)の代表的な組み合わせと,比較のため従前の規制冷媒と鉱油との組み合わせについて混合潤滑領域の全域をカバーする廣井範囲について摩擦特性の試験を行った.また,試験結果を混合潤滑解析結果と比較して境界摩擦係数を推定する方法を確立した.
その結果,冷媒と基油の組み合わせについて,代替冷媒のR134aとエステル系,グリコール系基油との組み合わせでは,規制冷媒R22とナフテン系鉱油という従前の組み合わせに比べ境界摩擦係数が高いこと,混合潤滑状態で固体接触割合が少ない領域と,接触割合の高い領域とで,境界潤滑係数が異なる傾向があること,があきらかになった.
これらの結果をもとに,今回開発した試験機がどの程度実機の状態を模擬しいるか,従来の試験機と比較した結果,従来の試験機は固体接触割合の高い境界潤滑状態しか模擬できないのに対し,固体接触割合の低い状態も模擬できる点で優れていることが明らかになった.従って,本試験機で得られたデータは冷媒圧縮機で問題となる運転条件全体に適用できるものであり,本試験機より得られたデータを用いることで設計コストを削減することが見込まれる.

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配分額：2500000円 （ 直接経費：2500000円 ）

混合潤滑を解析する上で、流体潤滑寄与分と境界潤滑寄与分の両者は同等の精度で取り扱わなければならないが、従来の解析においては、流体潤滑部分と比較して境界潤滑部分の評価が不十分である.特に表面粗さの形状による接触状態およびそれに伴う摩擦力のモデル化が十分でない.このため,製作した高精度スピンドル装置を用いたボール・オン・ディスク型摩擦試験機を用い,磁気記録装置用ディスクの平滑面に対し,いくつかの粗さ形状のもった軸受鋼球を接触させることによってによって摩擦特性測定し,粗さ形状によって実験結果を整理した.
まず,粗さ形状を,統計分布のみで表し,整理した.なお,吸着膜の特性については,被覆率をLangmuir吸着式から,せん断強さをEyring粘性モデルから導かれるBriscoeのLangmuir膜のモデルを用いる申請者らのモデルを用いた.
実験においては,ボール・オン・ディスク摩擦試験機による実験結果が上記モデルと定性的に一致し,定量的にも近い値が得られた.また,さらに既存の実験装置の改造によりボールオンディスク型の実験装置を製作したが,本年度は実験装置の動作確認と,特性評価に終わった。解析に関しては,実験結果と比較して満足される結果は得られず,ボールオンディスク摩擦試験機による実験とともに今後の課題である.

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配分額：2200000円 （ 直接経費：2200000円 ）

混合潤滑を解析する上で、流体潤滑寄与分と境界潤滑寄与分の両者は同等の精度で取り扱わなければならないが、従来の解析においては、流体潤滑部分と比較して境界潤滑部分の評価が不十分であるため,本研究では境界潤滑膜のせん断特性のうち、境界膜の被覆率と膜自身のせん強さに着目し、境界潤滑を含む一般的な混合潤滑モデルの構築、および数値シミュレーションを行ない、混合潤滑下での境界潤滑膜の吸着特性、とくに吸着膜の被覆率とせん強さを定量的に評価し,二円筒式摩擦試験機および今回改造によって製作されたボールオンディスク式摩擦試験機によって測定される摩擦特性と比較,検討した.
まず,油性添加剤の吸着膜について,被覆率をLangmuir吸着式から,せん断強さをEyring粘性モデルから導かれるBriscoeのLangmuir膜のモデルを用いて定量化した。また,その吸着膜モデルを,申請者らの提案している混合潤滑解析モデルに組込み,計算した結果,油膜温度,すべり速度,および荷重の影響を定性的に説明することが出来た。
実験においては,二円筒試験機による実験結果が上記モデルと定性的に一致し,定量的にも近い値が得られた。また,さらに既存の実験装置の改造によりボールオンディスク型の実験装置を製作したが,本年度は実験装置の動作確認と,特性評価に終わった。分子力学を用いた吸着膜の被覆率およびせん断強さの計算は,解析モデルおよび実験結果と比較して満足される結果は得られず,ボールオンディスク摩擦試験機による実験とともに今後の課題である。

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資金種別：競争的資金

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