Researches

試料水平型中性子反射率計ARISA-II/SOFIAの整備

大強度陽子加速器施設J-PARCは物性研究から素粒子物理まで幅広い分野での研究を目的とした陽子加速器による研究施設で、物質・生命科学実験施設MLFでは中性子・ミュオンを用いた原子・分子スケールの構造やダイナミクスを計測可能な実験装置が整備されています。私が2009年にKEKに着任した際は、2006年まで稼働していたKEKの中性子実験施設KENSから移設した装置ARISA-IIを用いていましたが、2011年にはJST ERATOの高原プロジェクトとの共同研究により位置から設計し直した装置SOFIAへのアップグレードを果たしました。その後、加速器の出力は2009年時点の120 kWから現在（2023年）の800 kW（最終目標は1 MW）へと7倍弱に増加すると共に、検出器の更新などSOFIAへも様々なアップグレードを施すことによって、10倍以上の測定時間の短縮を実現することに成功しました。現在は異動により装置責任者としての役割は終えましたが、引き続き装置のアップグレードは協力して行っていく予定で、現在は世界初の手法である「多入射反射率法」の実装に向けて、集光ミラーを用いた光学系の開発を行っています。これが実現すれば、角度スキャン無しで測定可能なQ領域を同時に計測できるようになると同時に、集光ミラーにより微小試料における測定効率が向上することが期待されます。

主なアップグレード一覧

• • ディスクチョッパー・フレームオーバーラップミラーの整備

    • バックグラウンドの低減によるダイナミックレンジの拡大（最大7桁以上）

    • ダブルフレームモードによる同時測定可能なQ領域の拡張（時分割測定用）

  • 光学ミラーシステムの整備

    • ビームの傾き角度を調整し、液体表面観察を実現（<2.2度）

  • 2次元検出器の導入

    • 非鏡面反射の観測による多次元構造解析の実現

    • 多入射反射率法の実現に向けた検出器の小型化（直径80mmx1→40mm角x2）

    • シンチレーターの更新による高効率・高計数率化（約2倍@0.25nm）

  • 試料交換機の設置

    • 複数試料の自動計測（2インチ基板で28枚まで設置可能）

    • 自動アライメントプログラムの実装

  • 集光ミラーの開発

    • 微小試料における測定時間の短縮（gain factor~2 @ 15mm角 & 1.6deg）

  • 各種試料環境整備

    • 温度制御を含む測定の自動化

    • 溶媒接触時の経時変化測定

    • ずり応力下での測定

固体基板上のリン脂質膜の吸着・剥離

中性子反射率法を用いてリン脂質による生体模倣膜を測定する際、かつては液体表面に展開したLangmuir膜を用いるのが一般的でした。しかし、この方法は生体膜のような二分子膜ではなく単分子膜であるため、十分にこれを模倣できているとは言い難く、現在は基板の表面に作成した二分子膜を使用するのが一般的です。作成の方法としてはLangmuir膜を基板に転写したり、単層膜ベシクル水溶液に接触させることで自発的に単層膜が形成させたりする方法が用いられますが、欠陥ができたり、組み合わせによってはうまくいかなかったりすることがあります。そこでこの研究では、別のアプローチとしてリン脂質のナノディスク（板状ミセル）を吸着させる方法や、基板上に作成した積層膜を剥離させる方法に挑戦しました。前者の方法では、シリコン基板の表面とナノディスクの電荷を変えながら実験を行った所、ミセルの電荷よりも基板の電荷の方が影響が大きく、通常は基板に対して平行にナノディスクが積層するのに対して、NH3で修飾した基板の上では基板の表面から数十nm以上の範囲にわたって不規則にナノディスクが積み重なった層が形成されることがわかりました。また、後者の方法では、Si基板上に作成したリン脂質二分子膜の積層膜を水に浸漬させた瞬間から膨潤する挙動を観測し、数時間かけて膜の剥離と膨潤が起きる様子を観測することに成功しています（論文作成中）。