【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.19】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24MS0016
利用課題名 / Title
有機系潤滑添加剤による境界潤滑層の形成過程の可視化と摩擦力マッピング
利用した実施機関 / Support Institute
自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS
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）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
トライボロジー,走査プローブ顕微鏡/ Scanning probe microscope
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)
山下 直輝
所属名 / Affiliation
京都工芸繊維大学工芸科学部設計工学域機械工学課程
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
平山朋子,江河日向乃
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
湊丈俊
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）,機器利用/Equipment Utilization
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
機械工学において、要素間の摩擦およびそれに伴う摩耗の発生に関する諸問題は極めて重要な課題であり、トライボロジー分野ではこれらに関する多くの研究が進められている。機械の摺動面では、潤滑油の効果により良好な潤滑状態が維持されるが、金属表面と潤滑油の界面における微視的な構造が摩擦特性に大きな影響を及ぼすことが知られている。本研究では、代表的な潤滑添加剤の一つである脂肪酸に注目し、走査プローブ顕微鏡を用いてその膜形成に関する評価を行った。金属石けんが形成されやすい脂肪酸の種類を調査する目的で、さまざまな脂肪酸を含む潤滑油中における観察を行った結果、飽和脂肪酸であれば金属石けん膜を形成しやすいことが明らかとなった。また、脂肪酸を含む潤滑油中で連続観察を行うことにより、観察時の接触圧力が金属石けん膜の形成に与える影響についても調査した。その結果、厚膜化には接触圧力の値が重要である可能性が示唆された。
実験 / Experimental
鏡面研磨されたシリコンチップ上に銅を成膜した基板を用い、実験を行った。潤滑油としては、飽和脂肪酸であるステアリン酸およびパルミチン酸、ならびに不飽和脂肪酸であるオレイン酸のいずれかを、0.1％の濃度でヘキサデカンに溶解させたものを使用した。観察には、公称ばね定数0.7 N/m、先端曲率半径20 nmの窒化ケイ素製カンチレバーを用いた。銅基板上に各種潤滑油を滴下し、走査プローブ顕微鏡を用いて、押しつけ荷重が10 nNとなるように制御されたダイナミックモードにて観察を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
各種潤滑油を銅基板上に滴下し、1日経過後に表面観察を行った。二重結合を含まない飽和脂肪酸であるステアリン酸およびパルミチン酸を使用した場合には、銅表面に自己組織的に金属石けん膜が形成された。この結果は、脂肪酸が銅表面に化学的に吸着した後、厚い金属石けん膜へと成長するためには、ステアリン酸銅あるいはパルミチン酸銅が高い凝集力をもって密接に集合する必要があることを示している。そのためには、脂肪酸分子が二重結合によって折れ曲がっておらず、立体的な障害のない直鎖構造を有することが望ましいと考えられる。 また、ステアリン酸を含む潤滑油を滴下した直後から、同一領域を繰り返し観察した。連続観察の過程において、一度確認された金属石けんが次回のスキャンでは確認できなくなる場合や、逆に新たに形成されるような挙動も観察された。これは、約10分程度の間に金属石けんの形成と脱離が繰り返し生じていることを示唆している。さらに、10回連続して観察を行った結果、観察領域に残存する金属石けんの量は著しく少なかった。このことから、本実験条件においては、先行研究[1]で報告されているような、表面への刺激による金属石けんの厚膜化は生じず、脱離が先行したと考えられる。以上の結果は、金属石けんの厚膜化には観察時の接触面圧が重要な因子として関与している可能性が高いことを示している。本実験における観察条件では、面圧が過剰であった可能性があり、厚膜の金属石けん膜を効率的に形成し、良好な潤滑状態を実現するためには、適切な面圧制御が必要であることが明らかとなった。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
Hirayama, Tomoko, et al. "Cross-sectional imaging of boundary lubrication layer formed by fatty acid by means of frequency-modulation atomic force microscopy." Langmuir 33.40 (2017): 10492-10500.
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)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 山下直輝，江河日向乃，平山朋子，湊丈俊，“銅表面における脂肪酸金属石けんの形成条件とナノトライボロジー特性評価”トライボロジー会議2024春東京，令和6年5月29日
- Naoki Yamashita, Hinano Egawa, Tomoko Hirayama, Taketoshi Minato, “AFM Studies on Formation and Tribological Properties of Fatty Acid Metal Soaps on Copper Surfaces”7th Asia International Conference on Tribology (ASIATRIB2024), 17th September 2024.
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