大型放射光施設 SPring-8

公開日

2011年12月12日

2011年12月12日
住友ゴム工業株式会社
財団法人高輝度光科学研究センター
独立行政法人海洋研究開発機構 地球シミュレータセンター
フロンティアソフトマター開発専用ビームライン産学連合体
国立大学法人東京大学
防衛大学校

《研究内容》
　ゴムにカーボンやシリカなどのナノ粒子を分散させると強度や繰り返し変形時のエネルギーロスが増大する「補強効果」を示すことが知られています。この補強効果により高耐久・高グリップなタイヤの開発が可能となっていますが、エネルギーロスの増大により燃費性能が低下してしまう相反性を有しています。これら補強効果の起源は、ゴム中に形成されたナノ粒子（シリカやカーボンブラックなど）による階層的な凝集構造（ネットワーク構造）およびゴムに変形が加えられた際の凝集構造変化が密接に関係していると考えられてきました。しかし、これまで多くの研究がなされてきましたが、未解明な部分が多くあります。このようなナノ粒子の階層構造とゴムのマクロ物性を直接研究するためには、ナノメートルからミクロンスケールにおける幅広いレンジでの構造情報を得ることが非常に重要となりますが、サブミクロン領域の構造（特に3次元構造）の観察手法がなく研究が困難でした。
　本研究では、2004年に東京大学 雨宮教授とJASRI、住友ゴムで共同開発した2D-USAXS法に加え、BL03XUおよびBL40B2の2D-SAXS法を組み合わせることで、ナノメートル～ミクロンスケールにおけるゴム中のナノ粒子階層構造を解析しました。また、地球シミュレータを利用し開発した2Dp-RMC法により、ゴム中のシリカ粒子の三次元配置を決定しシミュレーションすることで詳細な解析を行いました。

SPring-8における2D-USAXS、SAXS測定
　2D-USAXS測定はBL20XUにて実施しました（図2）。実験セットアップを図3に示します。X線エネルギーは23keVを用い、試料を第1ハッチ、二次元検出器（6inch XRII-CCD）を第2ハッチに設置し光学系を最適化することで、カメラ長約160 mの2D-USAXSの計測を可能としました。また、2D-SAXS測定はBL03XU（図2）およびBL40B2にて実施し、X線エネルギーは8 keV、カメラ長は3 mとしました。
　これら二つのビームラインで得られた測定データを用いることで、数nm−5µmまでの幅広いスケールにおける高精度な構造情報を得ることが可能となりました。シリカ配合ゴムの測定結果の一例を図4に示します。
　得られた2D-USAXS、SAXSデータを解析した結果、ゴム中に配合されたシリカ粒子は階層的な構造を形成しており、さらに高次な凝集構造がタイヤの転がり抵抗と密接に関係していることを初めて明らかにすることができました（図5）。

地球シミュレータにおける2Dp-RMC計算
　SPring-8の高精度データから、ゴム中のシリカ凝集構造の3次元配置を決定しシミュレーションへの応用検討を行いました。シリカ凝集構造を可視化しシミュレーションのモデルとして適用するために、二次元散乱パターンに拡張した2Dp-RMCの超並列コードを地球シミュレータ（図6左）にて開発することに成功しました。2Dp-RMCを用いることで、これまで観察することができなかった大きな領域のシリカ粒子の3次元配置を決定することに成功しました（図6右）。
　さらに、SPring-8の解析結果と地球シミュレータのシミュレーション結果を比較検証することで、図7に示す"マルチスケールシミュレーション^*4"を社内で独自開発しました。コンピューター上で分子設計を行い反応や結合およびそれに伴うナノ粒子の階層構造を予測することで開発のスピードアップすることが可能となり、これまでにない低燃費用新ポリマー"両末端マルチ変性ポリマー"の開発に成功しました。

《今後の展望》
　SPring-8および地球シミュレータを活用し当社独自技術として開発してきた本技術を「4D NANO DESIGN（フォーディーナノデザイン）」として位置づけ、高性能タイヤの開発への適用およびさらなる進化を進めていきます。

本開発成果は、以下の共同研究によるものです。
・住友化学株式会社
・財団法人高輝度光科学研究センター　高田昌樹 利用研究促進部門長、八木直人 利用研究促進部門副部門長、鈴木芳生 副主席研究員、竹内晃久 副主幹研究員、上杉健太朗 研究員、増永啓康 研究員
・独立行政法人海洋研究開発機構　地球シミュレータセンター　渡邉國彦 センター長、シミュレーション応用研究開発プログラム　シミュレーション応用研究グループ　新宮哲 グループリーダー、数納広哉 研究員
・東京大学大学院 新領域創成科学研究科 篠原佑也 助教、雨宮慶幸 教授
・防衛大学校 応用科学群 応用物理学科 萩田克美 講師、荒井隆 教授

《参画プロジェクト》
・兵庫県地域結集型共同研究事業,JST
・文部科学省　先端大型研究施設戦略活用プログラム

《用語解説》
＊1　時分割二次元極小角X線散乱法（2D-USAXS）
一般的に物質中の約100 nm以上の構造体のサイズや形状を解析する手法。SPring-8の高輝度・高平行なX線を用いることでカメラ長約160 mでの測定が可能となり、外場を加えた際の構造変化など時間分割測定（In-situ：その場測定）が可能。

＊2　時分割二次元小角X線散乱法（2D-SAXS）
一般的に物質中の約100 nm以下の構造体のサイズや形状を解析する手法。SPring-8の高輝度X線を用いることで、外場などを加えた際の構造変化など時間分割測定（in-situ：その場測定）が可能な手法。

＊3　二次元パターンリバースモンテカルロ法（2Dp-RMC）
リバースモンテカルロ法は、液体金属などのアモルファス構造などから得られる等方的な散乱パターンの構造解析に用いられる手法。ゴムなどの場合、異方的な散乱パターンを与えるため二次元散乱パターン全体（少なくとも第一象限）の解析が必要となり、計算規模が非常に大きくなる。異方的な二次元散乱パターンを解析するために、地球シミュレータを用いて二次元散乱パターンに拡張した2Dp-RMCの超並列コードを開発し応用した。

＊4　マルチスケールシミュレーション
複数の時間・空間スケールをまたいだ異なるシミュレーションを連携させ、複雑な現象を計算するシミュレーション。