固体表面近傍における液体分子はどのような状態にあるのか?この問題はその物理的興味により多くの研究者が議論してきた^[1]。その結果、固体表面近傍で液体分子が層状に配列すること^[2]、液体の密度が固体表面からの距離に対して振動的に変化すること^[3]、2固体表面が介在する分子のオーダまで接近すると、介在する液体の剪断粘度はバルクよりも非常に大きくなること^[4]など、バルクの性質とは全く違った性質を示すことがわかってきた。こうした液体と固体のインタフェースにおける特殊な性質は、実際の工学的分野においてはこれまであまり重要とは考えられていなかったが、マイクロマシンに代表されるように、近年の機械技術の発展に伴う機械要素の小型化により、非常に重要なものになってきている。例えば、ハードディスクでは、記録密度向上のため、従来の気体浮上に代えて液体浮上方式が提案されている^[5]。この場合、浮上量は数ナノメータ程度であり、これは液体分子直径のオーダである。このように、工学の分野においても非常に滑らかな2固体表面が液体を介して分子オーダの距離まで接近し、かつ剪断を受けるような系の応用が考えられている。従って、上述したような固体表面近傍の液体の性質、および、2固体表面が液体を介して非常に接近した場合の相互作用に関する性質、特に、トライボロジー^[6]的性質に関する知見は、これからのキーテクノロジーを支えるものとして必要不可欠であろう。本研究では、このトライボロジー特性の一つ、潤滑膜厚さに着目する。

　2固体表面を接触させ剪断を与えたとき、表面が乾燥した状態より液体がその表面に存在したほうがより小さい力で動かすことができるということは周知の事実であろう。これは、両固体表面間に液体の膜(潤滑油膜)が存在し、この油膜に発生する圧力によって荷重が支えられ、2表面の直接接触が妨げられているからである。この潤滑油膜厚さおよび油膜発生圧力は、理論的にはレイノルズ方程式によって記述される。しかし、本研究で考えるような分子オーダの膜厚においては、上述したような固-液インタフェースにおける特殊な性質や、ファンデルワールス力、メニスカス力といった自然発生的な力も作用すると考えられ、従来のレイノルズ方程式による理論的予測と大きくずれることが予想される。過去には、この潤滑膜厚さを数十ナノメータから数ナノメータ程度まで測定した例も数件ある^[7]が、その実験精度および実験条件において不十分な点が多い。

　そこで、本研究では、2面間の距離、垂直力を高精度に測定できる実験装置を設計製作し、これを用いて分子オーダの流体潤滑膜厚さを測定すること、および、分子オーダの流体潤滑膜厚さまで適用できる理論を構築することを目的とする。

　本研究で製作した実験装置の模式図を図1に示す。潤滑面は直交円筒面とした。これは、球と平面の配置と幾何学的に等価である。円筒面は光学レンズに雲母を接着したものを用い、一方の円筒は剛体で支えられ、もう一方は2枚の平行板ばねに支えられている。これらの面に何らかの力が働くと平行板ばねがたわみ、そのたわみを高精度非接触静電容量型変位計により測定することができる。この変位計の分解能は、カットオフ周波数5Hz、30秒間で0.7〜0.8nmである。2面間の滑りおよび垂直荷重はそれぞれ弾性ステージ1および2によって与えることができる。弾性ステージの構造を図2に示す。図2(b)のように中央にあるステージを押すことにより、4枚の板ばねの弾性変形を利用して小さな力でスムーズな動きを達成できるものである。弾性ステージの駆動にはピエゾ素子を用いた。また、弾性ステージの変位を板ばねに貼った4枚のひずみゲージにより測定できるようにした。マイクロステージ1〜3は粗動用、4は変位計移動用であり、DCモータにより遠隔操作できる。この実験装置全体をアクリルケースで囲い、除振台に載せ、空気中のごみなどを避けるためクリーンブース中に設置した。また、エアコンでクリーンブース中の温度を、湿度発生器でアクリルケース内の湿度を制御できるようにした。なお、本実験装置の精度は、空気中および液体中における雲母表面間の凝着力を測定することによって確かめられている^[8]。

図表図1 実験装置 / 図2 弾性ステージ

　本研究では、液体試料としてオクタメチルシクロテトラシロキサン(octamethylcyclotetrasiloxane,OMCTS)、シクロヘキサン、ノルマルヘキサデカンの3種類を用いた。液体を直交円筒面間にメニスカス力で保持し、2面間に荷重を与えて滑らせ、発生した液体膜厚さを測定した。ここで、本研究では、荷重を流体力(fluid force)と呼ぶことにし、流体力は人為的に加えられた平行板ばねによるばね力、ファンデルワールス力^[9]およびメニスカス力^[10,11]を含んでいる。実験条件は、温度21.5±0.5℃、湿度20%未満とした。また、雲母および各液体の物性については文献[11]、実験方法の詳細については文献[12]に詳しい。

　まず、OMCTSによる実験結果を図3に示す。滑り速度は200m/sであり、横軸は流体力、縦軸は膜厚を示している。また、図中の実線、点線および破線はレイノルズ方程式による理論的予測値を示す。このように、膜厚が数ナノメータになると、理論からずれ、膜厚が連続的に変化しなくなる現象、すなわち、膜厚の離散化が観察される。この離散化の間隔は約1nmであり、これは、OMCTS分子の分子直径にほぼ等しい。ある膜厚に対して流体力が従来の粘性力よりも大きくなっていることから、流体力が粘性力と付加的な力から成り立っていると考え、この付加的な力の性質を調べたところ、膜厚に対して指数関数的に減衰することがわかった。すなわち、この付加的な力は、2面間に介在する液体の分子直径程度の周期で現れ、かつ、膜厚に対して指数関数的に減衰する力である。この様な性質を持つ力は、構造力であろうと考えられる。構造力は、固体表面間に介在する液体の分子密度変動によって引き起こされるものであり、実際にこの様な性質を持つことが示されている^[13]。

　滑り速度200m/sにおけるシクロヘキサンによる実験結果を図4に示す。やはり離散化が観られ、その間隔は0.5〜0.6nmであるが、これは、シクロヘキサン分子を剛体球と仮定して得られた分子直径に等しい。さらに、OMCTSと同様にして付加的な力の性質を調べたところ、OMCTSの場合と同様の性質を示すことがわかった。OMCTSやシクロヘキサンは構造力を強く示す物質であるため、このような離散化を生じたと考えられるが、構造力をほとんど示さない物質ではどうなるかを調べるため、ノルマルヘキサデカンを用いて測定した結果が図5である(滑り速度200m/s)。このように、膜厚の離散化は生じていないことがわかる。従って、膜厚の離散化は強い構造力を示す液体に観られるものである。

図表図3 OMCTS / 図4 シクロヘキサン / 図5 ヘキサデカン

　また、本研究から、構造力は本実験の様に剪断のある場合でも静的な場合とほぼ同じ大きさであること、構造力は滑り速度に依存しないことなどがわかった。

　実験で得られた結果を説明するため、構造力を従来の弾性流体潤滑理論(EHL理論)に組み込むことを考えた。まず、構造力を圧力として算出する新しい方法を提案した。これは、2種剛体粒子系のOrnstein-Zernike方程式^[14]とDerjaguin近似^[15]とを組み合わせて、構造圧力を求めるものである。この方法は、パラメータの値を得るために実験を必要とする従来のモデル^[13,16]と違い、ほぼ理論的に構造圧力を求めることができる。これをEHL理論に組み込み、OMCTSおよびシクロヘキサンについて計算した結果がそれぞれ図6,7である。これより、本研究で提案した方法は強い構造力を示す液体を用いた場合の実験結果とよく一致することがわかる。また、本計算法による構造圧力と従来のモデルとの比較を行ったところ、従来のモデルは表面の弾性変形を考慮しておらず、構造圧力を大きく見積もってしまうことも明らかになった。

図表図6 OMCTS / 図7 シクロヘキサン

　本研究では、分子オーダの流体潤滑膜厚さを測定できる実験装置を設計製作し、これを用いて分子オーダの流体潤滑膜厚さを測定した。その結果、このような非常に薄い液体膜においては、膜厚が離散化するなどの多くの新しい知見を得た。また、構造力を考慮した弾性流体潤滑理論を提案し、実験結果との良好な一致が得られた。