Netsu Sokutei, 33 (4), p. 183, (2006)



Viscoelasticity of a Single Polymer Chain

原子間力顕微鏡(AFM)の出現によって私たちは高分子1本鎖の統計力学的性質を実験的に調べることができるようになった。この手法はナノフィッシングと呼ばれ,基板上に一端で吸着した高分子鎖のもう一方の端を力学的に釣り上げる技術である。q溶媒中での力-伸張距離曲線はみみず鎖モデルとのよい一致を示し,エントロピー弾性についてのミクロな情報を与えた。その溶媒効果についても議論した。またAFMのカンチレバーをその共振点で振動させることによって,ナノフィッシング技術を動的粘弾性測定に応用できるように拡張した。この方法によって1分子レベルの弾性と粘性を同時にかつ定量的に調べることが可能となった。低伸張域での約10 kHzの摂動に対して,溶媒との摩擦に関する現象が抽出できた。以上のように静的・動的ナノフィッシングは高分子物理学の基本的命題に対して実験的証拠を与えるものであることが明らかとなった。さらに近い将来においては,巨視的な測定では平均の中に埋もれてしまうような高分子鎖あるいは高分子溶液の性質を理解するために用いられることになるだろう。
Atomic force microscopy (AFM) enabled us to investigate the statistical properties of single polymer chains by a method called as "nanofishing", which stretched a single polymer chain adsorbed on a substrate with its one end by picking it at another end. A force-extension curve obtained for a single polystyrene chain in a q solvent (cyclohexane) showed a good agreement with a worm-like chain model, and thus gave microscopic information about entropic elasticity. Solvent effects on polymer chain conformations were also discussed. Nanofishing technique was extended for dynamic viscoelasitc measurement of single polymer chains. AFM cantilever was mechanically oscillated at its resonant frequency during stretching process. By this technique, we could quantitatively and simultaneously estimate elongation-dependent changes of stiffness and viscosity of a single chain itself with using a phenomenological model. The solvent effect on the viscosity in low extension regions was ensured that the viscosity under about 10 kHz perturbation was attributed to monomer-solvent friction. These methods were proved to be powerful to give the experimental proofs against several basic questions in polymer physics and furthermore will unveil hidden properties of polymer chains or polymer solutions by any macroscopic measurements in the future.