当研究グループでは、高分子系のダイナミクスを理解するために、レオロジーおよび粘度測定技術を用いています。特に高分子電解質に重点を置いています。これらの系の構造を調べるためには散乱法を用いています。この目的のために、本節に挙げたような研究室内の装置を使用し、さらにシンクロトロンや中性子源でも実験を行っています。ここでは、研究室で利用可能なさまざまな装置と、それらから得られるデータの種類に関する情報を見つけることができます。いくつかの技術については、測定原理の簡単な説明も記載していますが、これは現在も作業中です。さらにレオロジーおよび散乱装置に加えて、当研究室では電気伝導度測定装置および浸透圧測定装置も備えており、高分子電解質溶液の熱力学を研究しています。当研究室のその他の装置には、高精度密度計、屈折計、凍結乾燥機、相図マッピング装置、UV 硬化光源、および超音波処理装置が含まれます。

これらの装置のいずれかの利用にご関心がある場合は、cvg5719@psu.edu までご連絡ください。

レオロジー

Kinexus Ultra

これは高分子溶液を研究するための当研究室の主力レオメーターです。高感度を備えた応力制御型レオメーターであり、定常せん断における最小トルクは 1 nNm です。また、効率的な溶媒トラップを備えており、中程度の揮発性をもつ溶媒に対して試料の蒸発を防ぐことができます。

以下のジオメトリーおよびアクセサリーが利用可能です:

コーンプレートジオメトリー: 40 mm および 60 mm, いずれも角度は 1°。40 mm プレートでは ≈ 0.3 mL の試料が必要で、60 mm では約 0.7 mL です。
ダブルギャップジオメトリー - 特に揮発性溶媒や低粘度試料に適しています。必要試料量は ≈ 3 mL です。
プレート/プレートジオメトリー - 直径 25 mm
コーン/プレートジオメトリー - 直径 25 mm および 40 mm
浸漬セル - 試料を液体中に浸した状態で測定できます。これは膨潤ゲルの測定時に蒸発を防ぐのに有用です。

現在のセットアップでは、利用可能な温度範囲は 0-150 °C です。外部循環装置に接続すれば -25°C まで拡張できます。より広い温度範囲を必要とする試料には、MCR302e を使用できます。

低粘度溶液に対する最大せん断速度は、Taylor 不安定性が生じる前で数百 s^-1 程度です。具体的な値は、試料の粘度と弾性、および使用するジオメトリーに依存します。濃厚高分子溶液では、粘性発熱および/または試料の飛び出しが顕著になる前であれば、数千 s^-1 に達することができます。より高いせん断速度での測定は、m-VROCii レオメーターを用いて行うことができます。

MCR302e

これは poly(ionic liquid) ゲルを研究するための当研究室の主力レオメーターです。これらは通常、-80 から -50°C の範囲にガラス転移温度を持ちます。Kinexus ultra と同様に、これは応力制御型レオメーターです。最小トルクは定常せん断で ≈ 1 nNm、振動測定で 0.5 nNm です。法線力は -50 N から 50 N の範囲で変化させることができます。

以下のジオメトリーおよびアクセサリーが利用可能です:

コーン/プレートジオメトリー - 直径 50 mm、角度 1°。
プレート/プレートジオメトリー - 直径 25 mm
ガラス製プレート/プレートジオメトリー - UV 光を用いた in situ 測定用

現在のセットアップでは、利用可能な温度範囲は -80°C から 400 °C です。液体窒素タンクに接続すれば -150°C まで拡張できます。

Kinexus レオメーターと同様に、適用可能な最大せん断速度には限界があり、m-VROCii を用いて測定範囲を拡張できます。

光誘起重合または架橋過程を研究するために、UV ランプをレオメーターに接続できます。

m-VROCii（せん断粘度および伸長粘度）

m-VROCii はマイクロ流体レオメーターです。試験流体は直線チャネル内を流れます。体積流量はポンプ速度によって設定され、圧力はチャネルに沿った異なる位置にある 4 つの圧力センサーによって測定されます。動作原理はキャピラリー粘度計に類似していますが、主な違いは、m-VROCii では流量を印加して圧力を測定するのに対し、キャピラリー系では圧力を印加（重力法）し、流量を測定する点です。マイクロ流体レオメーターの概説はこちらおよびこちらにあります。

mVROCii で到達可能なせん断速度はチップ寸法と試料粘度に依存し、低粘度試料では最大 2×10⁶ s^-1 に達します。

双曲線収縮型マイクロ流体デバイスを用いることで、\(\sim 10^{3}s^{-1}\) の範囲における液体の伸長粘度を測定できます。

TriPAV- 高周波スクイーズフローレオメーター

TriPAV は圧電式スクイーズフローレオメーターです。試料は 2 枚の金属板の間に保持され、下側の板はロックインアンプで駆動される圧電アクチュエーターによって振動します。利用可能な周波数範囲は 1 から 10,000 Hz です。典型的なひずみ振幅は 0.01-0.2% です。全周波数範囲にわたる周波数掃引は 5 分未満で実施できます。TriPAV の性能の詳細についてはこの論文を参照してください。

試料は 0.1 mL 未満の試料しか必要としない密閉チャンバー内に保持されます。

Contraves LS-30（修理中）

Contraves LS-30 はカップアンドボブ型のクリープレオメーターであり、低せん断速度における低粘度試料に対して卓越した精度を提供します。これは、高分子量ポリマーの非絡み合い溶液、特に無塩溶媒中の高分子電解質の研究に有用です。そこでは希釈に伴って緩和時間が増加します。

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レオロジー用試料環境およびアクセサリー

Kinexus および MCR レオメーターはさまざまなジオメトリーで使用できます。詳細は下表を参照してください。これらに加えて、Kinexus または Colby 教授の研究室にある DHR-30 および ARES-G2 レオメーターで使用できるいくつかのアクセサリーも備えています。一般に、溶液試料の測定にはコーンプレートジオメトリーが最適であり、試料全体にわたって一定のせん断応力が加えられることが保証されます。プレートプレートジオメトリーは、大きな粒子を含む試料やエラストマー試料により適しています。

利用可能なジオメトリー一覧。
ジオメトリー	装置
ダブルギャップ	Kinexus, DHR30
コーンプレート	Kinexus (\(\phi = \) 40, 25 mm, 1\(^\circ\)), MCR302e (\(\phi\) = 50 mm, 1\(^\circ\))
プレートプレート	MCR302e (8-50 mm), DHR30 (25 mm), Kinexus (25 & 40 mm)
クエット	Kinexus (double gap), DHR30 (double gap, OSR), Contraves
使い捨てプレート	Kinexus, MCR302e
浸漬	Kinexus

上記のジオメトリーを用いたレオロジー特性評価に加えて、以下のセットアップも利用可能です:

装置	レオメーター
直交重畳レオロジー	DHR30
レオ・誘電分光法	DHR30
UV 硬化セットアップ	MCR502/MCR302e
光散乱	MCR502/MCR302e
環境試験チャンバー	DHR30
DMA: ねじりおよび引張	ARES-G2

直交重畳レオロジー

せん断レオロジー測定は通常、定常モードまたは振動モードのいずれかで行われます。クリープ試験のような定常せん断実験は、例えば、せん断速度に対する粘度の依存性を評価するために用いることができます。振動せん断実験は通常、損失弾性率 G\(^{''}\) および貯蔵弾性率 G\(^{'}\) の観点から議論されます。直交重畳レオロジーは、定常せん断と振動せん断を試料に同時に印加できる技術です。そのためにクエットジオメトリーが用いられます。ボブは垂直軸の周りに回転し（図中のオレンジの矢印）、方位角方向に試料へ定常せん断を与えます。さらに、ボブは軸方向にも振動し（青矢印）、定常せん断に垂直な方向に振動流動を印加します。

このセットアップは TA DHR30 レオメーターで使用可能であり、温度は下記の Environmental Test Chamber によって制御されます。この技術の詳細は TA のウェブサイトで確認できます。

レオ・誘電分光法

DHR-30 レオメーターでは、両方のプレートが電極として機能する平行平板ジオメトリーを、試料環境制御のための ETC と組み合わせて使用できます。Keysight LCR メーターを用いてプレート間に交流電圧を印加します（この装置の詳細については下記参照）。このセットアップにより、溶液およびゲルの誘電特性を、印加せん断の関数として研究することができます。Keysight LCR メーターの周波数範囲は 2Hz-300kHz であり、水系高分子電解質溶液に対しては、溶液の電気伝導度は測定できますが、対イオン分極に関連する緩和過程は測定できません。

UV 硬化セットアップ

MCR302 レオメーターは、異なる周波数の UV または可視光を照射できる透明な下部プレートとともにセットアップすることができます。Omnicure 光源の詳細については、下記を参照してください。このセットアップは、特に架橋過程のモニタリングに有用であり、貯蔵弾性率と損失正接を架橋度に関連付けることができます。上部ジオメトリーには、使い捨てプレートまたは使い捨てコーンのいずれかを使用できます。

レオ・光散乱

MCR302e レオメーターは、小角光散乱（SALS）セットアップとして構成できます。流動下の試料から散乱された光は CCD カメラを用いて測定されます。

環境試験チャンバー

右図に DMA アクセサリーとともに示されている Environmental Test Chamber（ETC）は、放射加熱および対流加熱を用いて温度を -160 °C から 600 まで変化させることができます。具体的な最低温度範囲は、使用する冷却系によって決まります。現在は TA Air Chiller System と組み合わせてセットアップされており、液体窒素を使用せずに ETC を -80°C まで下げることができます。より低温にするためには、ETC を液体窒素デュワーに接続する必要があります。最大昇温速度は 60 °C/min です。

ETC は、直交重畳レオロジーおよび誘電分光アクセサリーにおいて試料環境を制御するために使用されます。

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マイクロレオロジー

広い意味では、マイクロレオロジーとは、ナノスケールおよびメソスケールにおける材料の機械特性を研究するために用いられる一連の技術を指します。過去 20 年間に開発されてきたさまざまな手法の概要はこちらにあります。. 従来の回転式レオメーターに対するマイクロレオロジー技術の大きな利点は、はるかに高い周波数にアクセスできることです。右図は、さまざまな技術の能力の大まかな見積もりを示しています。回転式レオメトリーでは通常、≈100 rad/s を超える周波数にはアクセスできません。その範囲内では、最大 GPa 程度の弾性率を測定することが可能です。DLS マイクロレオロジーでは、試料に数百ナノメートル径の球状粒子を加えます。試料の自己相関を測定し、試料自身からの寄与が無視できると仮定して、粒子の平均二乗変位を時間の関数として計算します。一般化ストークス・アインシュタイン式により、貯蔵弾性率と損失弾性率を評価できます。到達可能な周波数は通常、試料特性に依存しますが、数 kHz 程度までです。Diffusing wave spectroscopy（DWS）もトレーサー粒子を試料に加えることで機能しますが、この場合は粒子濃度が十分高いため、光が検出器に到達する前に複数回散乱されます。DWS は通常、後方散乱ジオメトリーで実行されます。当研究室には 2 台のマイクロレオロジー装置があります:

LS-instruments 製 DWS rheolab は拡張周波数オプション付きで、試料特性に依存しますが、最大 ≈ 1Mrad/s までの粘弾性データにアクセスできます。試料は 5 から 100 °C の温度範囲で測定でき、必要試料量は使用するセルに応じて 0.15-1.5 mL です。
試料にトレーサーナノ粒子を加えた場合、BeNanoZeta-pro 180 を用いて DLS によるマイクロレオロジー測定を行うことができます。到達可能な周波数範囲は粒子サイズと試料特性に依存します。通常、信頼できるデータは ≈ 10KHz まで取得できます。この装置では試料量を 50 マイクロリットルまで低減できます。

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粘度測定

上で述べたレオメーターおよびマイクロレオロジー装置に加えて、当研究室には流体の粘度を測定するためのさまざまな装置があります。これらには、回転球粘度計、自動転動球粘度計、Stabinger 粘度計、および各種キャピラリー粘度計が含まれます。. それぞれ、精度、試料量、測定時間、粘度範囲、試料環境などの点で異なる利点を持っており、その詳細はこの節の末尾に記載しています。

EMS-1000S

EMS-1000s 粘度計では、試料は密閉バイアル中に保持され、液体中には金属球（アルミニウムまたはチタン）が浸されています。一対の磁石がバイアル下部の周囲を回転し、それにより球が回転します。回転速度が記録され、流体の粘度が計算されます。せん断速度範囲は磁石の回転速度を変えることで調整できます。到達可能なせん断速度範囲は、試料の粘度および使用する金属球に依存します。必要最小試料量は金属球のサイズに依存し、\(\phi = 4.7 mm\) では 0.7 mL、\(\phi = 2 mm\) では 0.3 mL です。少量試料オプションも利用可能であり、必要試料量は 90 \(\mu L\) のみです。このオプションは 0.1-1000mPas の粘度範囲の試料に対応します。

この粘度計の主な利点は、密閉バイアル内で試料を測定できることです。これにより、揮発性の高い溶媒も測定できます。また、CO\(_2\) を含まない雰囲気中で比較的容易に試料を調製することも可能です。

装置の詳細については、このウェブサイトを参照してください。

LOVIS

LOVIS は、傾斜角を変えることでせん断速度を制御できる転動球粘度計です。試料はガラスキャピラリー内に保持され、溶液よりも高い密度をもつ金属球がキャピラリー内を落下します。球がキャピラリーを通過するのに要する時間を測定し、それを用いて流体の 動粘度 を計算します。傾斜角は 15° から 80° の間で変えることができ、これにより球がキャピラリー内を落下する速度が変わり、したがってせん断速度も変化します。異なる粘度範囲の試料を測定するために、内径の異なる 3 種類のキャピラリーを使用できます:

キャピラリー内径 [mm]	全角度での粘度範囲 [mPas]	制限角度での粘度範囲 [mPas]
1.59	1-90	0.3-20
2	2.5-1700	13-300
2.5	70-1700	12-10000

最も細いキャピラリーでは、印加されるせん断速度は (200-800/η)s^-1 の範囲で変化させることができます。ここで η は mPas 単位の粘度です。キャピラリー内を落下する球の速度は溶液粘度に反比例して変化するため、印加せん断速度は粘度の増加とともに低下します。

LOVIS 粘度計

SVM 3001 低温特性（Anton Paar）

SVM3001 装置は Stabinger 粘度計です。この装置は -60 °C から 100 °C の温度範囲で測定できます。粘度に加えて、この装置は流体の密度（再現性 0.0001 g/mL）、曇点（再現性 ≈ 2.5 °C）、および凝固点（再現性 ≈ 1.3 °C）も測定します。印加されるせん断速度は試料粘度に依存します。LOVIS 装置と同様に、試料粘度が高いほど、測定が行われるせん断速度は低くなります。

この装置は特に、油の粘度-温度曲線の決定に有用です

SVM3001 低温特性

自動流下時間検出機能付きキャピラリー粘度計

測定原理

キャピラリーを流れるニュートン流体の流下時間は、 Hagen–Poiseuille 方程式によって与えられます:

\[ Q = \frac{\pi \cdot r^4 \cdot \Delta P}{8 \cdot \eta \cdot L} \]

ここで各記号は以下を意味します:

Q は体積流量
r はキャピラリー半径
\(\Delta P\) はキャピラリー両端の圧力降下
\(\eta\) は流体の粘度
L はキャピラリー長さ

キャピラリー粘度計では、既知の直径と長さをもつキャピラリーを一定体積の流体が流れるのに要する時間を測定します。流下時間（\(t_{flow}\)）は目視または自動センサーで求めることができます。平均流量は、キャピラリーの断面積（\(\pi r^2\)）と平均流速（\(L/t_{flow}\)）の積で与えられます。キャピラリー両端の圧力降下は液体密度と粘度計のジオメトリーの関数です。流体の動粘度（\(\nu\)）は次式で表されるのが一般的です:

\[ \nu = Kt_c \]

端部効果を無視する場合、\(t_c\) はキャピラリーを通過する流下時間に対応し、すなわち \(t_c = t_{flow}\) です。これは流下時間が長い場合には良い近似ですが、短い流下時間ではますます問題となり、その場合は 'Hagenbach-Couette' または運動エネルギー補正を適用する必要があります。したがって \(t_c =t_{flow} - t_{HC} \) となり、ここで \(t_{HC}\) は \(t_{flow}\) の関数です。\(t_{HC}\) の値は各粘度計タイプごとにメーカーから提供されます。

特定のキャピラリーに対する定数 K は、既知粘度の流体を測定することで決定できます。

ニュートン流体（粘度がせん断速度に依存しない）の場合、キャピラリー粘度計の壁面におけるせん断速度は次のように示されます:

\[ \dot{\gamma} = \frac{4Q}{\pi r^3} \] ここで各記号は上記と同じ意味です。典型的な粘度計では、これはおよそ ~1000 s\(^{-1}\) となります。

Ubbelohde 粘度計。R1 および R2 のマークは、t = 0 および t = \(t_{flow}\) における液体位置に対応します

恒温水槽および自動検出システム

Lauda Brinkmann ECO ER 15 S 恒温水槽を、ECO-Gold 浸漬型チラーと組み合わせて用い、キャピラリー粘度計用水槽の温度を制御しています。流下時間はストップウォッチを用いて手動で記録することも、Lauda 自動 iVisc 検出システムを用いて記録することもできます。iVisc システムはコンピューターで制御されます。このシステムは、溶液をキャピラリー管内に引き上げ、解放し、IR センサーを用いてキャピラリー内を流下する時間を記録するようにプログラムできます。通常、\(t_{flow}\) を正確に決定するためにこれを 3-6 回繰り返します。iVisc システムは、上の図に示したような単一キャピラリー型 Ubbelohde 粘度計で動作します。複数球部をもつ Ubbelohde 粘度計や Cannon-Fieske 粘度計のような他のキャピラリー粘度計では使用できません。当研究室には、異なる粘度範囲および試料量要件に対応するさまざまなキャピラリー粘度計があります。これらを下表に示します。

自動検出システム。

キャピラリー粘度計

Ubbelohde 粘度計

これらの粘度計には ≈ 20 mL の試料量が必要です。Lauda iVisc 自動検出システムと互換性があります。

タイプ	K [mm²/s²]	最小粘度 [mm²/s]	最大粘度 [mm²/s]
0	0.001	0.3	1
0C	0.003	0.6	3
0B	0.005	1	5
1	0.01	2	10
1C	0.03	6	30

少量試料用 Ubbelohde 粘度計

このタイプの粘度計では、1 試料あたり ≈ 1 mL（Cannon 粘度計）または ≈ 2 mL（Lauda 粘度計）が必要です。Lauda 粘度計では自動検出が可能です。当研究室には以下のタイプがあります。

メーカー	サイズ	K [mm²/s²]	最小粘度 [mm²/s]	最大粘度 [mm²/s]	自動検出
Cannon	25	0.002	0.4	2	いいえ
Cannon	75	0.008	1.6	8	いいえ
Cannon	150	0.035	7	35	いいえ
Lauda	I	0.01	0.3	6	はい
Lauda	III	1	30	800	はい

```html

Cannon-Manning セミミクロ粘度計

このタイプの粘度計では、各サンプルあたり必要な量は ≈ 0.5 mL のみです。自動検出はできません。私たちの研究室では以下のタイプを利用できます。

サイズ	K [mm²/s²]	最小粘度 [mm²/s]	最大粘度 [mm²/s]
25	0.002	0.4	2.0

せん断希釈用 Ubbelohde 粘度計

毛細管粘度計の大きな欠点の一つは、比較的高いせん断速度を与えることです。高分子量ポリマーの場合、これは測定値が必ずしもゼロせん断速度の値に対応しないことを意味します。この問題は、毛細管径の異なる毛細管粘度計を用いることで部分的に克服できます。この目的のために、私たちの研究室では以下の粘度計を利用できます。これらはせん断速度において ×10 の範囲を提供します。これらは他のシステムと同じ粘度計浴槽で操作できます。自動検出はできません。

カタログ番号	サイズ	K [mm²/s²]	最小粘度 [mm²/s]	最大粘度 [mm²/s]	最小せん断速度 [s^-1]	最大せん断速度 [s^-1]
9723-M50 (x10)	25	0.002	0.4	2	82	3300
9723-M53 (x10)	50	0.004	0.8	4	45	1800
9723-M50 (x5)	25	0.002	0.4	2	82	1650
9723-M53 (x5)	75	0.008	1.6	8	24	480

Cannon Instrument の水浴、モデル CT-518 は、外部水再循環装置と組み合わせることで、毛細管粘度計の温度を 20-100 °C の範囲で制御でき、安定性は ≈ 0.01 °C です。この浴槽の深さは 46 cm であるため、長い毛細管粘度計をその中に浸すことができます。流下時間はストップウォッチを用いて手動で記録できます。

以下の表は、さまざまな性能指標を考慮した場合の各粘度計の利点を要約したものです。毛細管粘度計は最も高い精度を提供しますが、その代償として測定時間と必要サンプル量が大きくなります。

装置	サンプル量	粘度範囲	精度	温度範囲	測定時間	せん断速度範囲	サンプル環境
EMS-1000S	≈ 0.3-0.7 mL, (\(90\ \mu L\) 低容量オプション使用時)	0.1-100000 mPas	≈ 3%	0-200°C, 0-50°C（少量サンプル）	< 1 分	可変	密閉環境
SVM-3001 Cold properties	≈ 3 mL	0.2-30000 mPas	≈ 1%	0-100°C（外部チラーにより低温側は -60°C まで拡張可能）	≈ 1 分	1-1000s\(^{-1}\), サンプル粘度に依存	毛細管チューブ
LOVIS	≈ 2 mL	0.5-90 mPas（より太い毛細管を用いることで上限範囲を拡張可能）	≈ 1%	≈ 5-90\(^{\circ}\)C	≈ 5-30 分、溶媒粘度に依存	200-800\(^{-1}/\eta\), ここで \(\eta\) は mPas	毛細管チューブ
自動検出付き毛細管粘度計	≈ 2-20 mL, 粘度計に依存	≲ 10 mPas	≈ 0.35%	≈ 20-60\(^{\circ}\)C	≈ 10-30 分	≈ 90-2000s\(^{-1}\), 粘度に依存	開放毛細管
せん断希釈 Ubbelohde	≈ 20 mL	≲ 10 mPas	≈ 0.35%	≈ 20-60\(^{\circ}\)C	≈ 5-20 分	≈ 800s\(^{-1}\)	開放毛細管

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OSMOMETRY

膜オスモメーター

ポリエレクトロライトのドナン平衡

BMT 923

BMT 923「onkometer」は、生理液の特性を測定するために設計された膜オスモメーターです。測定可能な最大浸透圧は 99.9 mmHg、すなわち約 13 kPa です。より高い浸透圧については、osmomanometer を使用できます。この装置に関する詳細情報はこちらで確認できます。

BMT 923 オスモメーター

Wescor 4420（修理中）

Wescor 4420 Colloid Osmometer は膜オスモメーターです。測定可能な最大浸透圧は ≈ 150 mmHg、すなわち約 20 kPa です。より高い浸透圧については、osmomanometer を使用できます。この装置に関する詳細情報はマニュアルのこちらで確認できます。

Wescor 4420 コロイドオスモメーター

Osmomanometer（製作中）

膜オスモメーターは、ポリエレクトロライト溶液の熱力学的性質を研究するうえで非常に有用です。透析膜は通常、溶媒分子および塩分子は透過させますが、ポリエレクトロライトは透過させません。ポリエレクトロライト溶液を塩溶液に対して透析し、その浸透圧を測定すると、浸透圧へのポリマーの寄与を計算することができます。これは蒸気圧オスモメーターや凝固点降下オスモメーターとは異なります。これらでは、ポリエレクトロライトと塩分子の両方の寄与を含む 膠質浸透圧 が測定されます。膜オスモメトリーは数十年にわたり高分子科学における標準的な特性評価手法でしたが、その使用は減少してきました。現在では、膜オスモメーターは商業的には入手できません。Raspaud は、osmomanometer と名付けられた簡便なオスモメーターの構築を提案しました。詳細についてはこの論文を参照してください。私たちは現在、この装置の立ち上げを進めています。

蒸気圧オスモメーター

Vapro 5600 オスモメーター

私たちの研究室には、Elitech VAPRO 5600 および Wescor 5500 オスモメーターが備えられています。主な特性のいくつかを以下の表に示します。蒸気圧オスモメトリーを用いた無塩ポリエレクトロライト溶液の浸透圧係数に関する文献研究は、こちら、こちら、およびこちらで見ることができます。

サンプル量	<0.1 mL.
浸透モル濃度範囲	0 - 3200 mmol/kg
測定時間	90 秒.
分解能	1 mmol/kg.
再現性	標準偏差 2 mmol/kg.
直線性	校正範囲（100 mmol/kg - 1000 mmol/kg）では読み値の ± 1%、100 mmol/kg 未満および 1000 mmol/kg 超から 3200 mmol/kg までは ± 5%、3200 mmol/kg 超では ± 10%。

Vapro 5600 オスモメーター

Wescor 5500

この装置は生物学的サンプルの分析のために設計されました。37C で動作し、高浸透圧（\(\gtrsim 100\) Osm）の条件で最も良好に機能します。

温度	37 °C
サンプル量	10 μL.
浸透モル濃度範囲	0 - 2000 mmol/kg
測定時間	60-90 秒.
分解能	1 mmol/kg.
再現性	標準偏差 2 mmol/kg.
直線性	校正範囲（100 mmol/kg - 1000 mmol/kg）では読み値の ± 1%、100 mmol/kg 未満では ± 5%

Wescor 5500 オスモメーター

Knauer K7000（修理中）

K-7000 装置は、有機溶媒溶液のオスモメトリーに使用できます。装置のマニュアルはこちらで確認できます。 .

濃度範囲	1 x 10^-3–15 molal
感度	トルエン中で 3.3 x 10^-5 mol/kg、水中で 1.7 x 10^-4 mol/kg
サンプル量	約 10 µl（1 滴）
サンプル数	最大 4 サンプル
試験時間	1 回の測定あたり 1.5–5 分
動作温度	20–130 °C
ΔT ヘッドサーモスタット	0–6 °C

Knauer K-7000

凝固点降下オスモメーター

凝固点オスモメーターは、溶液を凝固点より数度低い温度まで過冷却することによって動作します。次に、氷形成を誘起するために機械的な擾乱を加えます。これは融解熱の放出を伴います。その結果、溶液の温度はその凝固点まで上昇します。水の凝固点／融点の低下（\(\Delta T\)）は、溶液の浸透圧係数と関連づけることができます。具体的には、水の氷点降下定数 K = 1.858 mK/osmomol を用いると、溶液の浸透圧係数は \(\phi = \Delta T/(1.858c) \) で与えられます。ここで c は 1 リットルあたりモル濃度です。凝固点降下オスモメーターの原理と限界の概説については、この論文を参照してください。

OsmoTECH XT

OsmoTECH XT は凝固点降下オスモメーターです。従来の凝固点オスモメーターに対する OsmoTECH XT の利点の一つは、粘性の高いサンプルを扱えることです。装置性能およびサンプル要件の詳細を以下の表に示します。

パラメータ	値
サンプル量	20 μL
試験時間（低レンジ）	≤150 秒
試験時間（高レンジ）	≤190 秒
分解能	1 mOsm/kg H₂O
浸透モル濃度範囲	0 から 4000 mOsm/kg H₂O
精度（0-400 mOsm/kg H₂O）	公称値に対して ±2 mOsm/kg H₂O
精度（400-1500 mOsm/kg H₂O）	公称値に対して ±0.5%
精度（1500-4000 mOsm/kg H₂O）	公称値に対して ±1%
繰返し内再現性（0-400 mOsm/kg H₂O）	標準偏差 ≤2 mOsm/kg H₂O
繰返し内再現性（400-1500 mOsm/kg H₂O）	変動係数 ≤0.5%
繰返し内再現性（1500-4000 mOsm/kg H₂O）	変動係数 ≤1%

Osmotech-XT

OsmoTECH 3320

OsmoTECH 3200 は凝固点降下オスモメーターです。装置性能およびサンプル要件の詳細を以下の表に示します。

パラメータ	値
サンプル量	20 μL
試験時間	60 秒
分解能	1 mOsm/kg H₂O
浸透モル濃度範囲	0 から 2000 mOsm/kg H₂O
精度（0-400 mOsm/kg H₂O）	公称値に対して ±2 mOsm/kg H₂O
精度（400-1500 mOsm/kg H₂O）	公称値に対して ±0.5%
精度（1500-4000 mOsm/kg H₂O）	公称値に対して ±1%
繰返し内再現性（0-400 mOsm/kg H₂O）	標準偏差 ≤2 mOsm/kg H₂O
繰返し内再現性（400-2000 mOsm/kg H₂O）	変動係数 0.5%

Hygro-osmometer（製作中）

Zhan らは、相対湿度センサーを用いて水溶液の浸透圧を測定するための簡便な方法を提案しました。

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散乱

多角度 SLS/DLS（Brookhaven）

私たちは Prof. Gomez の研究室にある Brookhaven 2000-BI 装置を用いて、溶液中のポリマーの構造とダイナミクスを研究しています。この装置には赤色レーザー（\(\lambda = 633 nm\)）および緑色レーザー（\(\lambda = 532 nm\)）が搭載されています。この装置のいくつかの特性を以下に示します。

多角度 SLS/DLS（LSi）

LSII 分光計は、静的光散乱と動的光散乱を同時に実行します。pseudocross-corr オプションにより、私たちの研究室にある他の装置と比較して非常に短い相関時間を測定できます。この装置は、ポリマー、コロイド、さらにタンパク質や抗体のような他の高分子の特性評価に有用です。以下の表に、この装置のいくつかの特性を示します。

パラメータ	仕様
サンプル量	数 mL
粒子径範囲 (Rh)	0.15 nm から 5 µm
回転半径	≈ 10 nm から 1 µm
分子量	0.360 - 4000 kg/mol（ポリマーの場合）
散乱角	≈ 17° から 150°
角度分解能	\(\pm\) 0.05° より良い
レーザー特性	ファイバー結合レーザー 120 mW, 638 nm
最小相関時間	12.5 ns
検出器	アバランシェフォトダイオード
温度	5-90 °C

LS-II に関するウェビナーは以下の動画をご覧ください。

以下の小見出しをクリックすると、静的光散乱および動的光散乱の手法を用いて、溶液中のポリマーおよびポリエレクトロライトをどのように研究できるかを見ることができます。

静的光散乱

静的構造因子

散乱における最も有用な式の一つは、ゼロ角極限における構造因子を系の浸透圧圧縮率に関連づけるものです

\[ S(0) = k_BT\frac{dC}{d\Pi} \]

Zimm 方程式

希薄高分子溶液の低散乱波数ベクトル領域（\(qR_g \lesssim 1\)）における散乱は、Zimm 方程式を用いてモデル化できます。

\[ \frac{KC}{\Delta R(q)} = \frac{1}{M_w}\Big[1 + \frac{q^2R_g^2}{3}+...\Big] + 2A_2C \]

ここで \Delta R は過剰レイリー比（過剰とは溶媒の寄与が差し引かれていることを意味します）、C は体積あたり質量濃度、M_w は重量平均モル質量、R_g^ は z 平均回転半径の二乗、A_2 は第二ビリアル係数です。K はコントラスト因子であり、次式で与えられます。

\[ K = \frac{4\pi^2n_0^2}{N_A\lambda^4}n\Big(\frac{dn}{dC}\Big)^2_\mu \]

ここで \(\Big(\frac{dn}{dC}\Big)\) は溶媒中ポリマーの屈折率増分であり、添字 \(\mu\) は、三成分系においては拡散可能成分について一定化学ポテンシャルのもとで \(\Big(\frac{dn}{dC}\Big)\) を決定しなければならないことを示しています。ポリエレクトロライト溶液では、これは平衡透析を行うことで可能であり、詳細はこの論文を参照してください。ゼロ角極限における Zimm 方程式は、浸透圧のビリアル展開（\(\frac{\Pi}{k_BTC} \simeq \frac{1}{M} + A_2C+...\)）を用いれば、上に与えた S(0) の式と一致することに注意してください。

準希薄溶液

重なり濃度 \(C^*\) を超えると、溶液は準希薄領域に入ります。この領域では Zimm 方程式は適用できず、代わりに散乱強度は次式で与えられます。

\[ \frac{1}{\Delta R(q)} = \frac{1}{\Delta R(0)}\Big[1 + q^2\xi_{OZ}^2 \Big]\]

ここで \(\Delta R(0)\) は、上で議論した \(S(0)\) と \(\Pi\) の一般的関係に従って系の浸透圧と関連づけることができ、\(\xi_{OZ}\) は系の相関長、すなわち濃度揺らぎが生じる長さスケールです。相関長の濃度依存性を理解することは、ポリマーの静的性質および動的性質に関する多くの問題にとって重要です。例えば、Polymer Physics の第 5 章を参照してください。

無塩ポリエレクトロライト

無塩溶液中のポリエレクトロライトの散乱は、いくつかの独特な特徴を示します。そのため、SLS を用いてそれらのモル質量や回転半径を単純に決定することはできません。しかしながら、SLS および DLS を用いて、これらの系に関する有用な情報を引き出すことは可能です。以下では、これらの手法を用いてポリエレクトロライトの解離した対イオンの割合をどのように見積もることができるかを見ていきます。

一般に、ポリエレクトロライト溶液の浸透圧は次のように書けます：

\[ \Pi = k_BT\phi c \]

ここで \(\phi \) は浸透圧係数、\( c\) は体積あたりモノマーのモル濃度です。

準希薄な無塩溶液では、各解離対イオンは浸透圧に ≈ \(k_BT\) 寄与するため、\(\phi \simeq f \) となります。ここで <\em>f は、解離した対イオンをもつモノマーの割合です。ゼロ角散乱強度は系の浸透圧圧縮率と関連しているため、静的光散乱は、無塩溶液中のポリエレクトロライトの有効電荷を評価する方法を提供します。しばしば、これはいわゆる low q upturn の存在によって複雑になりますが、これについては以下の DLS セクションで議論します。

ポリエレクトロライトと対イオン凝縮

ポリエレクトロライトは、主鎖に沿ってイオン基をもつポリマーです。これらがある溶媒媒体に溶解すると、一部の対イオンは主鎖から解離して溶液のバルクへ移動します。これにより大きなエントロピー利得が生じます。残りは主鎖の近くにとどまり、「結合した」あるいは「凝縮した」対イオンと呼ばれます。これらは浸透圧的に不活性です。

Oosawa と Manning は、有名なことに、希薄な棒状ポリエレクトロライトにおいて凝縮した対イオンの割合は次式で与えられると予測しました： \[f = \frac{b}{l_B}\] ここで b はポリエレクトロライト主鎖上のイオン基間距離、\(l_B\) はビエルム長です： \[l_B = \frac{e^2}{4\pi\epsilon k_BT}\] ここで \(\epsilon\) は溶媒の誘電率です。ビエルム長は、一対の一価電荷間の静電引力がその熱エネルギーに等しくなる距離です。これは電解質およびポリエレクトロライトの溶液特性において重要な役割を果たします。

動的光散乱

動的光散乱は、強度自己相関関数 \(g_2(t,q)\) を測定します

\[ g_2(t,q) = \frac{\langle I(q,t)I(q,0) \rangle}{\langle I(q,t) \rangle ^2} \]

電場自己相関関数は、Siegert 関係を用いて計算されます： \[ g_2(q,t) = B + \beta [g_1(q,t)]^2 \] ここで \(B\) はベースライン、\(\beta\) はコヒーレンス因子です。

単分散粒子溶液の電場相関関数 \(g_1(q,t)\) は、単一指数減衰でモデル化できます：

\[ g_1(q,t) = e^{-\Gamma t} \]

ここで \( \Gamma \) は逆緩和時間であり、第一キュムラントとも呼ばれ、\(t\) は相関時間です。

拡散第二ビリアル係数（\(k_D\)）

作成中...

測定は異なる角度で行われ、\(\Gamma/q^2\) を \(q \rightarrow 0\) に外挿します：

\[ \frac{\Gamma}{q^2} = D_{app}(1+C'R_g^2q^2) \]

ここで \(D_{app}\) は見かけの拡散係数、\(R_g\) は回転半径、\(C'\) は溶質の大きさ、形状、および多分散性に依存する無次元定数です。\(C'\) の計算方法に関する詳細は、この論文およびこの論文を参照してください。

希薄領域（\( C\lesssim C^* \)）において溶質濃度の関数として測定を行うと、見かけの拡散係数を \( C \rightarrow 0 \) 極限に外挿することができ、これにより高分子の並進拡散係数 \(D_0\) が得られます： \[ D_0 = D_{app}(1 + k_DC) \] ここで \(k_D\) は拡散第二ビリアル係数であり、良溶媒極限の高分子量ポリマーでは \(1/C^*\) のオーダーです。詳細は右のテキストボックスを参照してください。多分散系では、単一指数式は修正キュムラント展開に置き換えることができます：

\[ g_2(q,t) = e^{-\Gamma q^2 t} \Big(1 + \frac{\mu_2t^2}{2} + \frac{\mu_3t^3}{6} + ...\Big) \]

ここで \(\mu_2\) および \(\mu_3\) はそれぞれ第二および第三キュムラントです。これらはサンプルのモル質量分布に関する情報を含みます。第二キュムラントと多分散性（\(M_w/M_n\)）の関係については、Selzer によるこの論文を参照してください。高分子の並進拡散係数は、Stokes-Einstein 式により流体力学的半径と関連づけられます： \[ R_H = \frac{k_BT}{6\pi\eta_s D_0} \] ここで \(\eta_s\) は溶媒の粘度です。

高分子の流体力学的半径は、その高分子と同じ拡散係数をもつ球の半径として定義されます。比 \(\rho = R_g/R_H\) は粒子形状および多分散性に敏感です。球では \(\rho = 0.78\)、ポリマーでは \(\rho \simeq 1.3-2\) です。

重なり濃度を超えると、上記の式を用いて見かけの拡散係数 \(D\) を求めることができ、これを用いて動的遮蔽長（\(\xi_H\)）を計算できます。 \[ \xi_H = \frac{k_BT}{6\pi\eta_s D} \]

静的光散乱と動的光散乱の組み合わせ

BeNano Zeta-pro 180

BeNano Zeta-pro 180 は、三つの光散乱手法を実行します。静的光散乱、動的光散乱、そして 電気泳動光散乱 です。タンパク質溶液のようなサンプルでは、これにより粒子径、ゼータ電位、および分子量を決定できます。さらに、サンプルをロードし、DLS 測定を用いてマイクロレオロジー実験を行うこともできます。

この装置には、固体レーザー 50 mW の赤色レーザー（λ = 671 nm）とアバランシェフォトダイオード検出器が搭載されています。SLS および DLS は 90° および 173°（後方散乱）で実行できます。タンパク質のような小さな粒子では、散乱強度は光散乱範囲で q に依存しないため、SLS から重量平均モル質量と第二ビリアル係数、DLS から流体力学的半径と拡散ビリアル係数を得ることができます。* 電気泳動光散乱は 12° で実行されます。後方散乱モードでは、この装置は非侵襲的後方散乱を実行でき、これは高濃度サンプルにおける多重散乱を防ぐのに有用です。

*単一角度での光散乱

電気泳動光散乱

定容透析セル

ポリ電解質のモル質量を静的光散乱で求めるには、拡散可能成分（溶媒および塩）について化学ポテンシャル一定の条件で屈折率増分差を測定する必要があります。この目的のために、当研究室には固定体積透析セルがあります。これらは \(\Big(\frac{dn}{dc}\Big)_\mu\) の決定や塩排除ドナン係数の測定に使用できます。

Xenocs 2.0（Materials Characterisation Lab）

当研究室では、ポリ電解質溶液の構造を調べるために、Materials Characterisation Lab にある Xenocs 製 Xeuss 2.0 を使用しています。さらに、毎年 Spring-8 シンクロトロンの BL40XU ビームラインにも出張しています。

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導電率 & 電位差測定

SevenExcellence S475 pH/mV/ION and Conductivity Meter

SevenExcellence 装置は、溶液の電気伝導率および pH を測定するために使用できます。さらに、イオン選択性電極を使用してさまざまなイオンの濃度を決定することも可能です。利用可能な各種プローブの一覧は下表に示します:

モデル番号	種類	備考	範囲
INLAB 720 ELECTRODE	導電率	2 本白金極の導電率セル	0.1 – 500 µS/cm
PROBE CONDUCTIVITY 741	導電率	2 本鋼製極	0.001 – 500 µS/cm
INLAB 710 ELECTRODE	導電率	4 本白金極	10 – 5×10⁵ µS/cm
PROBE CONDUCTIVITY 731	導電率	4 本黒鉛極	10 – 10⁶ µS/cm
SODIUM ELECTRODE W/S7 HEAD	イオン選択性電極	Na⁺	1×10^-7 – 1 mol/L
POTASSIUM ELECTRODE WITH BNC	イオン選択性電極	K⁺	1×10^-6 – 1 mol/L
PH ELECTRODE INLAB ROUTINE PRO	pH 電極	12 mm シャフト	0-14
INLAB MICRO PRO-ISM ELECTRODE	pH 電極	5 mm シャフト	0-14

2 電極セルは通常、より高い感度を示すため、無極性有機溶媒中の溶液のような低導電率試料により適しています。4 電極プローブは、より高い導電率を持つ溶液に適しており、電極分極の影響を受けにくいです。塩を含む溶液については、電極分極効果が重要でない周波数範囲で導電率が測定されていることを確認するために、Keysight の LCR Meter を使用すべきです。

BeNano Zeta pro 180

電気泳動光散乱モードでは、BeNano は約 200 Hz の周波数をもつ交流電場を印加することで試料の導電率を測定します。電極間距離は 1 cm で、電場の大きさは 1 から 200 V の範囲で調整できます。低電場で動作させることで電極分極を緩和できます。導電率計より精度は劣りますが、BeNano 装置での導電率測定はより少ない試料量（≈ 1-1.5 mL）で可能であり、試料は密閉環境に保持されるため蒸発が防がれます。測定は 10-70 °C の温度範囲で実施できます。水系試料用には U 字型キャピラリーセル、有機溶媒用にはディップセルがあります。

Keysight E4980Al LCR Meter（近日公開）

上で述べたように、塩を含む溶液の導電率を調べる際には電極分極が問題となることがあります。この現象の詳細な説明については、Prof. Ralph Colby が執筆した this document を参照してください。Keysight E4980AL LCR Meter は、20Hz から 300 kHz の範囲で測定される溶液の電気インピーダンスを測定するために使用でき、これにより電極分極効果なしに溶液の導電率を得ることができます。

同軸液体セル

液体試料用として、右図に示す Novocontrol 製の同軸円筒セルがあります。これは Keysight LCR meter または Colby 教授の研究室にある Novocontrol 誘電分光装置に接続できます。このセルを用いる場合に必要な試料量は ≈ 3 mL です。

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屈折計 & 密度計

高分子溶液の屈折率増分を知ることは、静的光散乱を用いた正確なモル質量決定に不可欠です。

RA-620 (KEM)

当研究室には KYOTO ELECTRONICS MANUFACTURING（KEM）製 RA-620 屈折計が設置されています。モデルの特性の一部を以下に示します。この装置はまた、Brix スケールでの屈折率も提供し、これは水溶液中に溶解した糖の濃度推定に使用できます。

測定方法	光学屈折の臨界角検出
光源	LED Na-D 線 (589.3nm)
測定範囲	屈折率 (n): 1.32000 - 1.58000
精度	屈折率 (n): ±0.00002
再現性 & 分解能	屈折率 (n): ±0.00001
温度範囲	5 - 75 °C
温度表示分解能	0.01°C
最小試料量	0.2 mL

詳細情報: 製造元の website を参照してください。

屈折率増分は、Cauchy の式に従ってレーザー波長とともに変化します:

\[ \frac{dn}{dc} = A + B \lambda^{-2} \]

ここで A および B は、高分子-溶媒対に依存する係数です。モル質量がこれらの係数に影響を与えることもあります。

BI-DNDC (Brookhaven)

これは Brookhaven instruments 製の示差屈折計で、波長 470 nm で動作します。

測定方法	偏向型屈折計の検出
光源	470 nm
測定範囲	屈折率 (n): 1.00 - 1.75
精度	\(\Delta\)n: ≈ 1.5 \(\times 10^{-3}\)
温度範囲	25 - 80 °C
温度精度	0.1°C
最小試料量	≈ 2 mL

Colby 研究室と Gomez 研究室には、同じ装置で \(\lambda = 620\) nm および \(\lambda = 780\) nm 用のものもあります。4 台の屈折計を組み合わせることで、可視スペクトル内の任意の範囲で dn/dc を見積もることができます。

Optilab rEX (Wyatt Technology)

これは Wyatt instruments 製の示差屈折計で、波長 690 nm で動作します。

測定方法	偏向型屈折計
光源	690 nm
測定範囲	屈折率 (n): 1.2 - 1.8
温度範囲	4 - 50 °C
温度精度	0.005°C
最小試料量	≈ 0.1 mL

2WAJ Abbe Refractometer

測定方法	光学屈折の臨界角検出
光源	LED Na-D 線 (589.3nm)
測定範囲 (液体)	屈折率 (n): 1.3000-1.7000
測定範囲 (固体)	屈折率 (n): 1.3000-1.63
精度	屈折率 (n): ±0.0003
温度範囲	0 - 70 °C
温度表示分解能	0.1°C

装置	測定方法	光源	測定範囲	精度 / 分解能	温度	最小試料量
BI-DNDC (Brookhaven)	偏向型屈折計の検出	470 nm	n: 1.00 – 1.75	Δn ≈ 1.5 × 10⁻³	25 – 80 °C; 温度精度 0.1 °C	≈ 2 mL
RA-620 (KEM)	光学屈折の臨界角検出	LED Na-D Line (589.3 nm)	n: 1.32000 – 1.58000	精度: ±0.00002; 再現性/分解能: ±0.00001	5 – 75 °C; 温度表示分解能 0.01 °C	0.2 mL
BI-DNDC (Brookhaven)	偏向型屈折計の検出	620 nm	n: 1.00 – 1.75	Δn ≈ 1.5 × 10⁻³	25 – 80 °C; 温度精度 0.1 °C	≈ 2 mL
BI-DNDC (Brookhaven)	偏向型屈折計の検出	780 nm	n: 1.00 – 1.75	Δn ≈ 1.5 × 10⁻³	25 – 80 °C; 温度精度 0.1 °C	≈ 2 mL
BI-DNDC (Brookhaven)	偏向型屈折計の検出	620 nm	n: 1.00 – 1.75	Δn ≈ 1.5 × 10⁻³	25 – 80 °C; 温度精度 0.1 °C	≈ 2 mL
2WAJ Abbe Refractometer	光学屈折の臨界角検出	LED Na-D Line (589.3 nm)	n (liquid): 1.3000 – 1.7000; n (solid): 1.3000 – 1.63	精度: ±0.0003	0 – 70 °C; 温度表示分解能 0.1 °C	—

ポリ電解質溶液の密度は、対イオンの水和状態に関する性質を推定するために利用できます。モノマーおよび対イオンの部分モル体積を知ることは、SANS および SAXS における散乱コントラストを計算するうえでも重要です。当研究室には、振動 U 字管原理で動作する 3 台の密度計があります。また、液体の熱膨張係数を測定するために使用できるガラス製ディラトメーターもあります。

KEM DA-860 Density Meter

当研究室には KEM DA-860 Density Meter が設置されています。装置パラメータの一部を以下に示します。

測定範囲	0 to 3 g/cm³
温度範囲	0 to 100°C
精度	Density: 0.000003 g/cm³ Temperature: ±0.02℃
繰り返し性	0.000001 g/cm³
再現性	0.000002 g/cm³
試料体積	≈ 1 mL

濃度 C の溶液の密度 (\(\rho\)) と溶媒の密度 (\(\rho_s\)) が分かっている場合、部分比体積 (\(\nu\)) は次式で計算できます:

\[\rho = \rho_s + (1-\nu\rho_s)C\]

\(\nu\) を正確に知ることは、SANS および SAXS 実験におけるコントラストを決定するうえで重要です。部分比体積は C に依存しないとは限らないため、通常は複数の濃度で密度測定を行うのが最善です。ポリ電解質は通常、金属対イオンの存在により比較的高い密度を持つため、≈ 1 g/L 程度の低濃度でも、\(\nu\) を見積もるのに十分な精度のデータが得られるのが一般的です。

DSA5000 音速および密度計 (Anton Paar)

研究室には DSA5000 装置（Anton Paar）も設置されており、流体の密度および音速を測定できます。この装置による密度測定の詳細については、this document および this article を参照してください。

測定範囲	0 to 3 g/cm³
温度範囲	0 to 100°C
精度	Density: 0.000005 g/cm³ Temperature: ±0.01℃
繰り返し性	0.000001 g/cm³
試料体積	≈ 1.5 mL

SVM 3001 低温特性 (Anton Paar)

SVM3001 cold properties は、-60 °C から 100 °C の範囲で 0.6-3 mL/g の油の密度を測定できます。この装置での再現性は ≈ 0.0001 g/mL であり、DSA5000 および KEM DA-860 よりもかなり低いです。主な利点は、氷点下温度を含む、はるかに広い温度範囲で試料を測定できることです。

測定範囲	0.6 to 3 g/cm³
温度範囲	-60 to 100°C (below ≈ -20°C requires external cooling)
繰り返し性	0.00005 g/cm³
再現性	0.0001 g/cm³
温度繰り返し性	0.005 °C
温度再現性	0.05 °C
試料体積	≈ 1.5 mL

ガラス製ディラトメーター

当研究室には、液体の熱膨張係数を測定するために使用できるガラス製ディラトメーターが複数あります。体積熱膨張係数は次式で定義されます:

\[ \alpha_T = \frac{1}{V}\Big(\frac{dV}{dT}\Big)_p \] ここで \(V\) は材料の体積、\(T\) は絶対温度です。

液体の熱膨張係数は、その自由体積を計算するために使用できます。液体の自由体積は、高分子溶液中のモノマー摩擦係数の推定に使用できます。また、ガラス転移温度からそれほど離れていない液体の粘度を決定する際にも重要な役割を果たします。

右図に示した示差ディラトメーターの動作原理は単純です。試験液を容器 \(A\) に注ぎ、初期温度まで平衡化します。バルブを開け、液体を球部 \(B\) に流し、赤い破線まで到達した時点でバルブを閉じます。その後、温度を上げ、液体を平衡化させ、新しいメニスカス位置を記録します。キャピラリーの内径は既知（0.6 mm）であるため、液体の体積変化は \(\Delta h\) から計算できます。

メニスカス位置は ≈ 1 mm の精度で読み取ることができ、これは ≈ 0.3 \(\mu\)L の体積に相当します。球部の体積は ≈ 50 mL であるため、相対体積変化は ≈ 100000 分の 1 の精度で見積もることができます。一般的な液体の熱膨張係数は \(10^{-3}-10^{-4}\) /K の範囲です。

偏光計

近日公開

その他の装置

超音波装置

当研究室には、複数の超音波ホモジナイザーおよび超音波浴があります。超音波は流体中にキャビテーションを生じさせ、大きな局所応力を発生させます。これらは、流体中にナノ粒子を分散させたり、溶液中の高分子のモル質量を低下させたりするために使用できます。超音波が溶液中の凝集体または単一高分子鎖を破壊する効率は、超音波チップの特性および溶液の粘度に依存します。

モデル名	周波数	出力	種類
1800 W 2-in-1 Ultrasonic Homogenizer Ultrasonicator Cell Disruptor Mixer - Integrated Type	20 kHz	1800 W	ホモジナイザー
US solid 製 3L 超音波洗浄機	40 kHz	120 W	超音波浴

凍結乾燥機

水溶液の凍結乾燥用として、HarvestRight 製の Oil-Free Pump 付き Scientific Pro Freeze Dryer が利用可能です。試料は 500 mTorr の真空下で - 40 °C まで凍結されます。この装置の昇華氷容量は ≈ 7 リットルです。装置の詳細については here を参照してください。

UV ランプ

当研究室には、High Pressure 200 Watt Mercury Vapor Short Arc lamp（照度最大 10W/cm2）を備えた OmniCure S2000 Elite system があります。波長は、下表に示す利用可能なフィルターのいずれかを用いて設定できます。OmniCure R2000 radiometer は UV 強度の監視に使用できます。UV システムは MCR302e 装置に接続して、UV 硬化過程のレオロジー特性を監視することができます。

フィルター種類	仕様
S2000 Elite Filter	400-500 nm
S2000 Elite Filter	365 mm
S2000 Elite Filter	320-390 mm
S2000 Elite Filter	250-450 nm
S2000 Elite Filter	320-500 nm

遠心分離機

当研究室で利用可能な遠心分離機は以下の通りです:

モデル名	最大 rmp	最大 g	試料体積
Labnet Mini Centrifuge C1301	6000	2000	1.5/2mL バイアル
Hettich Hand centrifuge	≈ 1000	≈ 3000	15mL チューブ¹

¹ Hettich 遠心分離機は主に粘性試料を SAXS キャピラリーチューブに充填するために使用されます。

相図マッピング

SVM3001 Cold Properties

SVM3001 装置は、2 °C の精度で溶液の曇点を測定できます。

BeNano

BeNano 装置の 90° SLS 検出器は、-10°C - 110°C の温度範囲で試料の濁度を測定するために使用できます。温度は ≈ 0.1 °C の精度で設定されます。測定は、≈ 1 mL の試料を必要とする標準セル、または ≈ 50 マイクロリットルを必要とするマイクロキュベットで実施できます。

振とう水浴（近日公開）

試料調製装置

溶液の調製を助けるために、以下の装置が利用可能です:

• Roller mixer

• Thermoshaker

• Mass balance

• Vortexer