(57)【要約】【課題】炭素繊維と他の材料との親和性を簡便かつより正確に評価するための技術を提供する。【解決手段】カンチレバー１０と、カンチレバー１０に固定され、円柱状の炭素繊維からなる探針２０と、を備える原子間力顕微鏡用プローブ１００。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーと、
前記カンチレバーに固定され、円柱状の炭素繊維からなる探針と、を備える原子間力顕微鏡用プローブ。
【請求項２】
前記探針は、前記炭素繊維の軸方向と前記カンチレバーの長軸方向とを垂直にして、前記カンチレバーに固定されている請求項１に記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【請求項３】
前記炭素繊維の軸方向における前記探針の長さが、１μｍ以上かつ１００μｍ未満である請求項１または２に記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【請求項４】
前記探針の直径が、１μｍ以上かつ２０μｍ未満である請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【請求項５】
前記カンチレバーのバネ定数が０．０１Ｎ／ｍ以上かつ１５０Ｎ／ｍ未満である請求項１〜４のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の原子間力顕微鏡用プローブを原子間力顕微鏡に設けて、前記探針を対象物の表面に接近または接触させ、前記探針を構成する前記炭素繊維と前記対象物との間の相互作用力を計測する原子間力顕微鏡の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子間力顕微鏡用プローブおよびこれを用いた原子間力顕微鏡の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素繊維を利用した複合材料（例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）など）の工業的な用途は、大きく広がりつつある。航空宇宙分野、自動車分野、発電用風車、建材、スポーツ・レジャー関連において、（１）高性能化（高強度化、高弾性化）、（２）軽量化（繊維含有量低減）、（３）複合化した際のより高い複合材料の物性の発現性向上（炭素繊維表面・界面特性の向上）に向けた要求が強まっている。
【０００３】
炭素繊維と樹脂等からなるマトリックス材料とを複合化して作られる複合材料においては、複合材料中の炭素繊維／マトリックス材料間の界面特性を向上させると、高性能化を実現できる。つまり、炭素繊維とマトリックス材料との親和性・接着性が高いもの同士を複合化したり、あるいは炭素繊維の表面を改質してマトリックス材料との親和性・接着性を向上させたりすると、複合材料をより高性能なもの（高強度、高弾性）にすることが可能になる（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００４】
炭素繊維と樹脂からなるマトリックス材料を複合化する際には、樹脂を炭素繊維に含浸させて成形するプロセスが利用されている（例えば、非特許文献２を参照）。こうした成形プロセスでは、製品の量産化、低コスト化を図るために高速化が求められており、樹脂の拡散・含浸を早めるために、炭素繊維とマトリックス材料との親和性を高めることが考案されている。そこで、炭素繊維とマトリックス材料との親和性を簡便かつより正確に評価する方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】表面処理技術ハンドブック  −接着・塗装から電子材料まで−、株式会社エヌ・ティー・エス、２０００年、ｐ．６３３〜６３９
【非特許文献２】炭素繊維のマーケットと将来展望、株式会社大阪ケミカル・マーケティング・センター、２００９年、ｐ．３３〜５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炭素繊維と炭素繊維以外の材料との親和性を簡便かつより正確に評価する方法は依然として存在せず、現状では炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を作製してその機械的強度を評価するなどの煩雑で間接的な手法に頼らざるを得ない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、炭素繊維と他の材料との親和性を簡便かつより正確に評価するための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、炭素繊維を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーに固定し、対象となる物質と相互作用を生じさせ、その相互作用力を実際に測定する手法を見出し、本発明の完成に至った。即ち、本発明によれば、以下の、原子間力顕微鏡用プローブおよびこれを用いた原子間力顕微鏡の使用方法が提供される。
【０００９】
［１］  カンチレバーと、前記カンチレバーに固定され、円柱状の炭素繊維からなる探針と、を備える原子間力顕微鏡用プローブ。
【００１０】
［２］  前記探針は、前記炭素繊維の軸方向と前記カンチレバーの長軸方向とを垂直にして、前記カンチレバーに固定されている前記［１］に記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【００１１】
［３］  前記炭素繊維の軸方向における前記探針の長さが、１μｍ以上かつ１００μｍ未満である前記［１］または［２］に記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【００１２】
［４］  前記探針の直径が、１μｍ以上かつ２０μｍ未満である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【００１３】
［５］  前記カンチレバーのバネ定数が０．０１Ｎ／ｍ以上かつ１５０Ｎ／ｍ未満である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の原子間力顕微鏡用プローブ。
【００１４】
［６］  前記［１］〜［５］のいずれかに記載の原子間力顕微鏡用プローブを原子間力顕微鏡に設けて、前記探針を対象物の表面に接近または接触させ、前記探針を構成する前記炭素繊維と前記対象物との間の相互作用力を計測する原子間力顕微鏡の使用方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の炭素繊維プローブおよびこれを用いた原子間力顕微鏡の使用方法によれば、炭素繊維と対象物との相互作用力を簡便かつ直接的に測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の原理についての説明図である。
【図２】本発明の原子間力顕微鏡用プローブの一実施形態を示した模式図である。
【図３】（ａ）実施例１の原子間力顕微鏡用プローブの光学顕微鏡写真および（ｂ）実施例１の原子間力顕微鏡用プローブの探針を拡大した光学顕微鏡写真である。
【図４】（ａ）実施例１、および（ｂ）実施例２の原子間力顕微鏡用プローブを用いて、炭素繊維と液状エポキシ樹脂との間に働く相互作用力を計測した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。
【００１８】
まず、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の原理を説明する。図１は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の原理についての説明図である。原子間力顕微鏡では、カンチレバーに設けられている探針（チップ）で試料表面を走査する。この走査によって、探針と試料との間に生じる相互作用力が、カンチレバーのたわみ量として検知される。カンチレバーのたわみ量については、カンチレバーの背面（探針を設けられている側とは反対側の面）にレーザー光を照射し、カンチレバーの背面を反射した反射光の位置を検知器で読み取ることにより、計測することができる。通常の原子間力顕微鏡では、探針と試料との間に生じる相互作用力を一定に保つようにピエゾステージを駆動し、試料の表面形状を画像化する操作を行う。
【００１９】
図２は、本発明の原子間力顕微鏡用プローブの一実施形態を示した模式図である。図示されているように、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００は、カンチレバー１０と、カンチレバー１０に固定されている探針２０とを備えるものである。さらに、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０が、円柱状の炭素繊維からなるものである。
【００２０】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０を形作る炭素繊維として、ＰＡＮ系炭素繊維、あるいはピッチ系炭素繊維を用いることができる。
【００２１】
また、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０を形作る炭素繊維の表面が、何らかの分子により化学修飾されていても、あるいは何らかの方法で表面処理されていても差し支えない。
【００２２】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、カンチレバー１０の材質は特に限定されない。また、カンチレバー１０の形状については、カンチレバー１０と探針２０との干渉を防ぎ、また、探針２０を容易に固定することが可能であればよい。
【００２３】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０を形作る炭素繊維の軸方向Ｘにおける探針２０の長さ（以下、「炭素繊維の軸方向Ｘにおける探針２０の長さ」という）が、１μｍ以上かつ１００μｍ未満であることが好ましく、さらに、５μｍ以上かつ１５μｍ未満であることがより好ましい。本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、炭素繊維の軸方向Ｘにおける探針２０の長さが１μｍ以上の場合、探針２０をカンチレバー１０に容易に固定することが可能となる。また、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、炭素繊維の軸方向Ｘにおける探針２０の長さが１００μｍ未満である場合、探針２０が屈曲しにくくなり、その結果、相互作用力をより正確に測定することが可能になる。
【００２４】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０の直径が、１μｍ以上かつ２０μｍ未満であることが好ましく、さらに、５μｍ以上かつ１０μｍ未満であることがより好ましい。本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０の直径が１μｍ以上である場合、探針２０をカンチレバー１０に容易に固定することが可能となる。また、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０の直径が２０μｍ未満の場合、探針２０のサイズがカンチレバー１０のサイズに比して大きくなり過ぎず、その結果、相互作用力をより正確に測定することが可能になる。
【００２５】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、カンチレバー１０のバネ定数が、０．０１Ｎ／ｍ以上かつ１５０Ｎ／ｍ未満であることが好ましく、さらに、１０Ｎ／ｍ以上かつ７０Ｎ／ｍ未満であることがより好ましい。本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、カンチレバー１０のバネ定数が０．０１Ｎ／ｍ以上の場合、適度な強度が保たれ、取り扱いが容易になる。また、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、カンチレバー１０のバネ定数が１５０Ｎ／ｍ未満の場合、探針２０の表面に働く相互作用力に対して十分な感度が保たれ、より正確に測定することが可能になる。
【００２６】
図示されているように、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、探針２０は、探針２０を形作る炭素繊維の軸方向Ｘとカンチレバー１０の長軸方向Ｙとを垂直にして、カンチレバー１０に固定されていることが好ましい。
【００２７】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００においては、探針２０をカンチレバー１０に固定するための方法は、特に制限はなく、固定部位の変形や、固定に用いる素材の揮発による汚染等が生じない限り、従来公知の固定方法の中から、任意に選択し、採用することが出来る。例えば、探針２０とカンチレバー１０とを接着剤を用いて固定することができる。このとき、探針２０とカンチレバー１０との固定に用いる接着剤は、相互作用力測定を精確に行うという観点から、弾性接着剤を用いるのは好ましくない。また、揮発性の接着剤は、炭素繊維表面やカンチレバーのレーザー反射部を汚染する恐れがあるので、探針２０とカンチレバー１０との固定に用いることは好ましくない。本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００においては、探針２０をカンチレバー１０に固定する際に、硬化時間の調整が可能な、２液常温硬化樹脂系接着剤を用いることが適している。
【００２８】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００においては、探針２０をカンチレバー１０に固定する操作は、光学顕微鏡観察下で、操作分解能０．１μｍ程度以下のマイクロマニピュレータを用いて行うのがよい。ここで用いるマイクロマニピュレータの一例としては、駿河精機社製「Ｍ５０１−１２０２−Ｍ」を挙げることができる。
【００２９】
本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００は、原子間力顕微鏡に設けて、探針２０を構成する炭素繊維と対象物との間の相互作用力を計測するのに用いることが好ましい。本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００を原子間力顕微鏡に設けて、炭素繊維と対象物との相互作用力を実際に測定する際には、探針２０の先端を対象物に接近または接触させ、さらに引き離すという操作を行う。こうした一連の操作の過程において探針２０に加わる力の変化、すなわち、探針２０を構成する炭素繊維と対象物との間の相互作用力の特性曲線［原子間力顕微鏡のフォースカーブ（ＡＦＭのフォースカーブ）］を測定すればよい。原子間力顕微鏡を用いる場合、探針２０を構成する炭素繊維と対象物との間の相互作用力は、カンチレバーのたわみ量に変換され、このたわみ量を特性曲線［原子間力顕微鏡のフォースカーブ（ＡＦＭのフォースカーブ）］として測定することが可能になる。
【００３０】
上述しているとおり、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、試料表面の形状の画像化を実施しなくてもよいという点において、従来の原子間力顕微鏡用プローブとは異なる。もちろん、本実施形態の原子間力顕微鏡用プローブ１００では、試料表面の形状の画像化を実施するために用いても構わない。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３２】
（１）原子間力顕微鏡用プローブの作製：
（実施例１）
長さ１０μｍ、直径５μｍの円柱状の炭素繊維からなる探針を、バネ定数が４２Ｎ／ｍのチップレスカンチレバーに固定することにより、原子間力顕微鏡用プローブを得た。図３（ａ）は、実施例１の原子間力顕微鏡用プローブの光学顕微鏡写真である。図３（ｂ）は、実施例１の原子間力顕微鏡用プローブの探針を拡大した光学顕微鏡写真である。
【００３３】
（実施例２）
実施例１の原子間力顕微鏡用プローブを、低圧水銀ランプ紫外光およびオゾンに２０分間ずつ曝露して、探針の表面処理を施すことにより、実施例２の原子間力顕微鏡用プローブを得た。
【００３４】
（２）炭素繊維とエポキシ樹脂との間の相互作用力の測定：
実施例１，２の原子間力顕微鏡用プローブを原子間力顕微鏡に設置した。対象物については、硬化剤を添加しない状態の液状のエポキシ樹脂をサファイア単結晶基板上に塗布することにより作製した。この対象物を、液状のエポキシ樹脂の塗膜を上側にして原子間力顕微鏡に設置し、液状のエポキシ樹脂の塗膜の表面上に原子間力顕微鏡用プローブの探針の先端を配置した。続いて、原子間力顕微鏡を操作し、液状エポキシ樹脂に探針を接近・接触させ、その後、引き離す動作を行った。この一連の操作における、炭素繊維（探針）と液状エポキシ樹脂との間に生じた相互作用力を原子間力顕微鏡のフォースカーブ（ＡＦＭのフォースカーブ）として記録した。
【００３５】
（結果の説明）
図４（ａ）は実施例１の原子間力顕微鏡用プローブを用いた場合、図４（ｂ）は実施例２の原子間力顕微鏡用プローブを用いた場合における、炭素繊維（探針）と液状エポキシ樹脂との間に働く相互作用力を計測した結果を示すグラフである。グラフの横軸は、炭素繊維の先端（探針の先端）と、液状エポキシ樹脂の塗膜（対象物）との間の距離であり、縦軸は、炭素繊維（探針）と液状エポキシ樹脂との間に生じた相互作用力を示す。相互作用力は、正の値が斥力を、負の値が引力を表す。実施例１の原子間力顕微鏡用プローブ（表面処理なし）では、炭素繊維（探針）と液状エポキシ樹脂との間に相互作用力は観測されなかった。実施例２の原子間力顕微鏡用プローブ（表面処理あり）では、一旦炭素繊維（探針）と液状エポキシ樹脂とを接触させた後、炭素繊維（探針）を液状エポキシ樹脂から引き離していく過程において強い引力が観測された。
【００３６】
（考察）
図４（ａ）に示されているように、実施例１の結果から、表面処理を施していない炭素繊維と、液状のエポキシ樹脂との間の相互作用は乏しいことが判明した。よって、表面処理を施していない炭素繊維は、液状のエポキシ樹脂との親和性が低いと考えられる。それに対し、図４（ｂ）に示されているように、実施例２の結果から、表面処理を施した炭素繊維と、液状エポキシ樹脂との間の相互作用は強いことが判明した。これは、炭素繊維が紫外光およびオゾンに曝露されたことにより、炭素繊維の表面の一部が酸化し、官能基が導入されたものと推定される。その結果として、表面処理を施した炭素繊維では、液状エポキシ樹脂との間の親和性が向上し、ひいては、液状エポキシ樹脂との間の強い相互作用の発現に至ったものと推定される。以上の実験から、本発明の一実施形態の原子間力顕微鏡用プローブを用いることによって、炭素繊維と炭素繊維以外の材料との間の親和性を簡便かつ直接的に評価可能であることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の原子間力顕微鏡用プローブは、炭素繊維と炭素繊維以外の材料との親和性を簡便かつ直接的に評価することに用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０：カンチレバー、２０：探針、１００：原子間力顕微鏡用プローブ。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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