本研究では、in situ光ルミネッセンス分光法とシンクロトロンX線回折を音響浮遊法と組み合わせ、アルミナ充填フォトポリマーナノ複合材料において、構造的および化学的変化を反映する硬化誘起のピークシフトをモニタリングした。ここで提示する、接触条件と容器レス条件における紫外線硬化中のピークシフトの推移は、微小重力に関連する材料処理において有用な手法であることを示している。
この記事について
サマリー
要約
音響浮遊は、容器のない環境においてナノ粒子充填フォトポリマーの硬化挙動を調査するための、微小重力に関連したプラットフォームを提供します。これは、宇宙探査を支援する宇宙空間での製造手法の設計において特に重要です。本研究の目的は、ナノ粒子充填フォトポリマーの紫外線（UV）硬化において、微小重力に関連する硬化境界条件（具体的には容器による拘束の有無）の間で、硬化に伴う構造変化を捉え、残留応力発生の差を検出できる結合型in situモニタリング手法を実証することです。本研究では、ナノ複合材ビーズの形状と安定性をモニタリングしながら、ナノ粒子フォトポリマーのUV硬化中の構造的および化学的変化を捉えるため、音響浮遊システムを、一方のセットアップでは光ファイバーベースのin situ分光システムに、もう一方では放射光X線回折システムに統合しました。これらの手法により、容器のない環境および表面接触環境における硬化プロセス中の、残留応力発生を反映する硬化誘起ピークシフトの定量的測定を、高い時間分解能で実現しました。その結果、液体ナノ粒子-ポリマー混合物から最終的な硬化生成物に至る硬化プロセスの全過程において、接触条件の方が容器のない条件よりも高い残留応力を誘発することが示されました。この差は、地上での処理における応力発生に関連して、壁面拘束が硬化に及ぼす影響を浮き彫りにしています。接触硬化と容器のない硬化を比較することで、この地上ベースの特性評価アプローチは、微小重力に関連する硬化挙動を研究するための簡便な手法を提供し、ポリマーナノ複合材の信頼性の高い宇宙空間製造のための処理戦略の開発を支援します。この材料系にとどまらず、この統合アプローチは、微小重力に関連する製造のための他の材料にも適用可能です。
概要
長期間の宇宙ミッションや月面基地は、宇宙探査における次のフロンティアである1,2,3。これらのミッションでは、宇宙飛行士にとって安全で居住可能な生活環境を備えた、持続可能で信頼性の高い基地を優先的に構築しなければならない。惑星科学、生命科学、物理科学などの基礎知識を向上させる将来の遠征を促進するためには、インフラストラクチャの整備が必要である4。しかし、宇宙空間に機能的で耐久性のある材料システムを構築するには、製造に必要な材料とプロセスを提供するための資源が必要となる。惑星探査現場で製造できる能力があれば、ペイロードの必要量を大幅に削減できるが、そのためには、宇宙環境が製造材料の特性に及ぼす影響について、より深い理解が必要となる。
宇宙空間での製造、および地上環境では達成不可能な特性を持つ材料や製品を創出するためにそのユニークな環境を活用するという概念は、50年以上前に導入されました5。宇宙製造は、探索目標を維持するためのコストおよび重量効率の高いアプローチを支援すると同時に、機能強化材料のプロセシング研究のための環境へのアクセスを提供します。特にポリマーナノ複合材料は、極限の宇宙環境における耐性があるため注目されています。地上条件で製造された際に堅牢な機械的、熱的、電気的、および光学的特性を示すため、宇宙アプリケーション向けの機能性材料として優れた候補となります6。ホウ素またはリチウムのナノ粒子を含むナノ複合ポリマーは、放射線および環境遮蔽能力を備えています7。ナノ複合ポリマーキャパシタは、宇宙用電源のための高密度エネルギー貯蔵や、宇宙機の熱防御のための相変化特性を提供します8,9。ナノ複合混合物中のこれらのナノ粒子添加剤は、硬化中の内部応答および微細構造の進化を変化させることができます10。しかし、この応力進化をin situで捉えるには、光学的ならびにスペクトルシグネチャーが十分に確立された粒子系が必要です。そのため、光学的手法および回折ベースの手法を用いた応力センシング能力が確立されているアルミナが、モデル粒子系として選定されました。特に、アルミナはフォトルミネッセンス分光法（PL）およびシンクロトロンX線回折（XRD）を用いて分析することができ、本研究ではこれら両方を用いて、フォトポリマーナノ複合材料における硬化誘起応力を反映するスペクトル変化を評価しました。
ピエゾスペクトロスコピー（圧電分光法）は、クロムドープα-アルミナなどの材料における、応力依存的な光ルミネセンス応答に基づいています。アルミナをレーザーで励起すると、アルミナ結晶構造内のクロムイオンCr3+が特有の発光ピークを放出します。これらはR線として知られており、R1およびR2と呼ばれる、互いに近接した2つの鋭いピークとして現れます（図1D）。
図1. 接触および非接触キュアリングにおけるPLセットアップと測定原理。(A>) UVキュアリングおよびPL収集時に、樹脂を金型内に配置した接触条件ところ。(B>) UVキュアリングおよびPL収集時に、樹脂ビーズを音響浮揚場に懸垂させた非接触条件。(C>) 光重合によりアルミナ粒子の周囲で樹脂が凝固し、局所的な圧縮応力が発生する。(D>) 伝達された圧縮応力により、アルミナの光ルミネセンスピークが初期の応力なしの状態からシフトする. こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
Cr3+イオンは、α-アルミナの三方晶系結晶構造内でアルミニウムイオンに置換されるため、発光応答が局所的な応力状態の変化に敏感になります11。外部応力または残留応力が加わると、R線のピーク位置が応力がない状態の位置からシフトします。この応力依存的なシフトはピエゾ分光効果として知られており、測定されたピークシフトをアルミナ粒子周囲の局所応力に関連付ける直接的な手法を提供します。
放射光X線回折は、アルミナ含有材料における残留歪みおよび応力を評価するための補完的な手法を提供します。XRDはアルミナセラミックスの残留応力の研究に広く用いられており12,13,14、結晶材料における格子間隔の変化を非破壊的に測定することが可能です15。本研究では、アルミナ粒子の回折応答を用いて、硬化過程における格子間隔の変化を追跡しました。これらの格子間隔の変化は歪みに関連付けられ、適切な弾性定数を用いることで応力に関連付けることができます。
アルミナをモデルシステムとして設定した上で、2つの独立した特性評価手法を組み合わせた理由について説明します。PL（フォトルミネッセンス）とXRD（X線回折）は、いずれもアルミナ含有系における応力およびひずみの独立した情報を提供しますが、本研究でこれら2つの手法を組み合わせることで、単独の手法では得られない利点が得られます。PLは、粒子レベルでのアルミナの光学ルミネッセンス応答を高時間分解能でモニタリングできるため、UV硬化の初期段階における急速な応力変化を追跡するのに適しています。一方、XRDはアルミナの格子間隔の変化を通じて同一の基礎的な応力状態を独立して的にすることで、PLの結果を結晶学的に検証することを可能にします。これら2つの測定は同一の材料システムにおいて、かつ同一の接触および容器なしの硬化条件下で行われるため、2つのデータセットが一致することで、残留応力の指標としてのピークシフト傾向の信頼性がさらに高まります。これら2つの手法を組み合わせることで、アルミナ充填フォトポリマーナノ複合材料における硬化に伴う応力発生について、単独の手法よりも完全かつ信頼性の高い全体像を得ることができます。
さらに、実用的な観点から、放射光XRDは宇宙環境では利用不可能な大規模な施設インフラを必要とするため、実際の宇宙空間での製造操作中のin situモニタリングには適していません。一方で、PLは小型でポータブルであり、現場への導入が可能な手法であるため、将来の長期宇宙ミッションにおいて現実的に利用可能です。本研究では、地上ベースの研究においてPL測定を放射光XRDの結果と照らし合わせて検証しており、これにより、宇宙機内や惑星前哨基地での製造操作など、XRDが利用できない場合に主要な特性評価手法となり得る、単独の応力モニタリングツールとしてのPLの信頼性を確立しています。
これらの手法により、硬化中の応力進展を検出することが可能になります。しかし、微小重力条件下で製造されたナノ複合材料の特性および性能の変化については、まだ十分に解明されていません。宇宙環境がポリマーナノ複合材料の硬化にどのように影響するかを理解することは、地球上の環境下で硬化させたナノ複合材料と比較して、特性や性能の変化に直接的に関わるため、極めて重要です。これを調査することで、宇宙空間での製造を通じた構造材料および機能性材料の設計に関する知見が得られます16,17,18,19,20,21。
宇宙空間での製造と地上での製造では、環境条件が異なることは明らかである。このため、宇宙で製造された材料の特性や性能を設計および検証するために不可欠な宇宙条件をシミュレートするための、独自で信頼性が高く、かつ利用可能な特別な地上設備が必要となる。宇宙環境をシミュレートするために必要な条件には、熱サイクル、真空、放射線、および微小重力がある。これらは、硬化ダイナミクスや微細構造の進化、ならびにナノ粒子の結合や分散に影響を及ぼす。これらの影響を理解することで、宇宙ミッションの安全性と寿命を向上させると同時に、新しい材料機能を実現するための適切な処理条件を提示し、信頼性の高い宇宙製造に向けた進展と発展が可能になる。
音響浮遊は、容器のない環境を実現することで微小重力下での処理をシミュレートするために用いられる実用的な地上試験法である。これは微小重力と同等ではない。浮遊している物体は、真の低重力環境にあるのではなく、重力に抗する不均一な音響放射力によって支持されている。しかし、本研究で関心がある特定の条件である、型や容器壁による機械的な拘束を取り除くことができる。この手法は、材料科学、化学、生物学、バイオエンジニアリング、およびその他の科学分野で一般的に使用されている16,22,23,24,25,26,27。音響浮遊は、音波によって生成される音響放射圧を発生させ、物体を空中へ懸垂させ23、容器に起因する機械的拘束なしに硬化ダイナミクスを調査できる容器なし環境を提供する。分光法と放射光X線回折の両方が提供する高い時間分解能は、光重合硬化プロセスに関連する比較的短い時間枠を研究するための理想的な手法となる。本研究は、宇宙製造における基礎的な材料処理上の課題、すなわち、微小重力下で本質的に存在する条件である「容器の不在」が、硬化中のナノ複合材料の残留応力状態をどのように変化させるかという点を取り扱っているため、微小重力研究に特に深く関連している。ここで研究される容器なし条件は、微小重力処理の地上アナログとして機能し、接触硬化と容器なし硬化の間で応力発展を反映するスペクトル変化を定量的に比較することで、同じナノ複合材料系を宇宙で製造した場合と地球上で製造した場合に、材料特性がどのように異なるかについて直接的な知見が得られる。本論文では、音響浮遊を強力なin situ分光法およびX線回折特性評価と統合し、アルミナナノ粒子と光重合体からなるポリマーナノ粒子系の硬化に対する容器なし処理の影響を明らかにする手法を詳述する。
音響レビテーションは、レビテーションさせた液滴中の結晶化を追跡するためのエネルギー分散型X線回折28、高濃度タンパク質溶液のシンクロトロンSAXS29、および室温での高分子X線結晶構造解析のための試料供給プラットフォーム30,31など、ビームライン技術と組み合わせてこれまでに行われてきました。しかし、これらの研究は結晶化、構造特性評価、または試料供給に重点を置いており、重合中の硬化誘起格子歪みの時間分解的な進展については焦点が当てられていませんでした。著者の知る限り、本研究は音響レビテーションと時間分解in situシンクロトロンXRDを組み合わせ、活性光重合反応中の格子歪みの進展を追跡し、同時に直接比較可能な接触条件を用いることで、容器壁の制約が硬化誘起残留応力に及ぼす影響を分離して評価した初めての事例です。
硬化中の体積収縮を制限する容器壁の拘束という機械的な役割に基づき、この拘束の有無が硬化後のナノ複合材料において測定可能な異なる残留応力状態を生じさせると仮定されます。具体的には、固体境界が存在せず試験片がより自由に収縮できる容器なしの状態よりも、接触状態の方が、より高く、より拘束された残留応力が発生することが予想されます。
プロトコル
材料の選択
セラミックフィラーとしてα-Aluminaナノパウダーを使用した。製造元の仕様によると、この粉末の結晶粒径は約40 nm（X線線幅解析により決定）、平均粒子径（APS）は150 nm（BET比表面積およびSEMにより決定）、そしてBET多点比表面積は約10 m2/gである。充填フォトポリマーおよびエポキシ系における粒子分散の先行研究32に基づくと、極めて低いアルミナ充填量（例：5 vol%）では、光ルミネセンス応答が弱く粒子分散も不十分であるため、光機械的ストレスセンシングには不適切であることが判明した。一方、高い充填量（例：20 vol%）では、より強い信号が得られるものの、粘度が著しく上昇し、混合物の注入や均一な混合が困難となった。したがって、製造可能性、センシング性能、および分散品質の妥協点として、アルミナ濃度を15 vol%に決定した。
実験セットアップ
ポータブルピエゾ分光システム（PPS）のセットアップ
PL実験には、InPhotonics Inc.社製RPB Ramanプローブ（ダイクロイックミラーとカスタム対物レンズ f/3を搭載した小型双方向ファイバー光学プローブ）からなる、既開発のポータブルピエゾ分光法（PPS）システムを使用した33,34。PPSシステム全体は、ハードウェアとソフトウェアの両方のコンポーネントで構成されている。ハードウェアは、分光器、電荷結合素子（CCD）、レーザー、光ファイバー、およびコンピュータで構成される33,34。ソフトウェアとしては、主にMATLABとLightFieldの2つのプログラムが利用される。MATLABベースのプログラムは主にデータの後処理に使用され、LightFieldはCCDからデータを収集するために使用される。図1に、2つの硬化条件における完全な実験セットアップと、その基礎となる測定原理を示す。ここでは、接触（金型）および非接触（音響浮遊）の構成（図1A および 図1B）、樹脂の凝固時にアルミナ粒子に発生する圧縮応力（図1C）、およびその応力の指標として用いられる対応する光ルミネセンスピークシフト（図1D）が示されている. コンテナセットアップにおいて、2つの構成間で幾何学的条件を一定に保つため、金型固定具を音響浮遊場の中心と同じ位置に配置した。UV LEDユニット（波長 405 nm、定格出力 10 W、IP66定格ハウジング）を試料から 6 cm の距離に配置し、光ファイバープローブを試料に向けて、硬化中の光ルミネセンス信号を連続的に収集した。光ファイバーの損傷を防ぐため、UV LEDは光ファイバープローブを直接照射しない位置に配置した。UV硬化中のアルミナの光ルミネセンスピークを時間経過とともに収集し、図1Dに示すようにピークシフトをモニタリングした。光重合中、樹脂は埋め込まれたアルミナ粒子の周囲で凝固し、重合収縮を起こす。これにより、アルミナ粒子に転写される局所的な圧縮応力が発生し（図1C）、光ルミネセンスピークが初期の無応力状態の位置からシフトする 。その後、LightFieldからピーク位置を抽出し、各ピーク位置をUV照射前の初期ピーク位置と比較することで、MATLABを用いてピークシフトを算出した。
シンクロトロンX線回折装置のセットアップ
米国アルゴンヌ国立研究所のAdvanced Photon Sourceにある6-ID-Dビームラインにおいて、硬化プロセス中のシンクロトロンX線回折（XRD）測定をin situで行った。図2に、接触条件下および非接触条件下の両方におけるシンクロトロンXRDのセットアップを示す。また、硬化誘起応力がアルミナの格子間隔を変化させ、検出可能なピークシフトが生じる仕組みを示す測定原理についても記載している（図2A–C）。
図2接触および非接触キュアリングのためのシンクロトロンX線回折セットアップと測定原理。 (AUV硬化およびXRD測定の間、樹脂をモールド内に配置した接触状態。B) UV硬化およびXRD測定の間、樹脂ビーズを音響浮遊場に懸垂させた非接触状態。 (C硬化に起因する応力によりアルミナの格子間隔が変化し、XRDピークのシフトが生じます。これにより、凝固中の歪みを算出することが可能です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
試料に、Figure 2A,Bに示されるように、試料のほぼ中心に配置された約0.5 × 0.5 mmの寸法を持つ90.5 keVの光子（波長λ = 0.137 ˚Aに相当）の平行ビームを照射した。目的とするアルミナのピークを捉えるため、試料から検出器までの距離を約1.5 mに設定した。リング状の回折パターンを、最大15 fpsの高速リアルタイム撮像が可能なVarex XRD 4343RFフラットパネル検出器（2880 × 2880ピクセルマトリクス、ピクセルピッチ150 µm）で記録した。データは、1回の実験につき合計600 sの取得時間で収集した。
PPSのセットアップと同様に、接触条件下および非接触条件下の両方で測定を行った（図2A,B）。UV LEDはPPSの構成に合わせて試料から6 cm離して配置し、幾何学的な一貫性を維持するために、金型固定具と浮遊試料を同じ測定位置に配置した。リグの全アセンブリをリニアステージに取り付け、必要に応じて接触試料または浮遊ビーズをビームラインに合わせられるようにした。その後、UV硬化中のXRDピークシフトを時間経過とともにモニタリングした（図2C）。これは、硬化に伴い埋め込まれたアルミナ粒子に伝達される応力が、格子間隔に測定可能な変化を生じさせるためである。
サンプルの調製
図 3Aに示すように、アルミナ粉末を液体樹脂に15 vol%の割合でビーカー/混合容器に入れ、撹拌棒で撹拌してアルミナ粒子の均一な分散を促進させた。
図3. サンプル調製、分注、およびin situ測定のワークフロー。(A) アルミナ粉末と液体樹脂を混合し、均質なナノ複合スラリーを調製する。(B) 調製したスラリーを、容器なしビーズを形成させるための音響浮遊場、または接触条件のためのシリコン型に分注する。(C) 残留応力と構造進化を反映するスペクトル変化を比較するため、容器なしおよび接触の両方の硬化条件においてPLおよび放射光XRD測定を行う。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
アルミナ粒子を十分に分散させた状態に保つため、ナノ複合スラリーの調製液は実験中ずっとマグネチックスターラーで攪拌しました。分散後、図3Aに示すように、試料供給に備えてスラリーをディスペンシング用シリンジに充填しました。各実験の前に、調製したスラリーをシリンジに充填し、音響浮遊場またはシリコーン型へディスペンスできるようにしました。
サンプルの分注と制御された浮遊
音響浮遊（容器なし）条件では、分注前に音響節領域を特定した。充填したシリンジを地面に対して約45°の角度で保持し（図 3B）、音響場内で安定した楕円形のビーズ形状が得られるまで、スラリーをゆっくりとレビテーター内に注入した。初回の分注液量は約5–7 µLとし、安定したビーズを維持するために必要な音響場の条件に応じて適宜調整した。注入が成功した後、浮遊ソフトウェアで振幅を調整し、ビーズを安定させた。
測定モードに応じて、同一メーカーの異なる2種類の単軸および双軸音響浮遊装置構成を使用した。どちらの構成も、起動時に自動校正された約22,400–22,450 Hzの共振周波数で動作し、動作周波数は手動設定ではなくデバイスの自動校正によって固定された。アルゴンヌ国立研究所（ANL）でのシンクロトロンXRD実験では、1つの反射鏡の上に1つの超音波トランスデューサーを配置した単軸構成を使用し、トランスデューサーと反射鏡の間隔はメーカーの標準セットアップに従って固定した。PPS実験では、上下に対向する2つの超音波トランスデューサーを用いた双軸構成を使用し、トランスデューサーの間隔も同様にメーカーの標準セットアップに従って固定した。
どちらの構成においても、1セッション内の繰り返し検体間で、音響節の位置および視野内の検体位置を一定に保持した。最初に分注した検体の位置をアライメントレーザーガイドを用いて設定し、以降の検体はその同一の参照位置に分注することで、新しい検体ごとにビームおよびプローブのフォーカスを再設定する必要がないようにした。
XRD単軸システムでは、レビテーターから発せられる音響音が聞こえるまで振幅を上昇させ、その時点でシリンジを用いてスラリーをノードに注入しました。その後、安定した浮遊を維持するように振幅を調整しました。
PPS 2軸システムでは、ビーズが安定してトラップされるまで、ソフトウェアを通じて上下のトランスデューサの振幅を個別に調整し、特定の硬化プロセスの残りの期間は能動的な再調整は行わなかった。
どちらの構成においても、ビーズがノード付近で運動しても試料が測定ビームの焦点から外れない場合を、浮遊条件が許容範囲内であると見なしました。XRD（X線回折）では、測定位置においてビーズが約500 µmのX線ビームフットプリント内に維持されている必要がありました（Synchrotron X-ray Diffraction Setupを参照）。PPS（光粒子分光法）では、ビームが光ファイバープローブの焦点スポット内に維持されている必要があり、これはライブ収集ソフトウェア上で、明確で定義されたアルミナの光ルミネッセンスピークが継続的に検出されることで確認されました。
接触（シリコンモールド）条件では、図3Bに示されているように、充填済みシリンジを用いてスラリーをモールド内に直接分注した。モールド空洞のサイズは3 × 3 × 2 mmであり、モールドの体積（~10.5 μL）を満たすようにスラリーを分注した。モールド表面の過剰なスラリーを除去し、ガラスカバーでモールドを覆った。その後、図3Cに示すように、無容器および接触の両条件でPLおよびXRD実験を行った。各実験は、比較可能性と再現性を確保するために繰り返し実施した。
In situ データ収集
光ルミネッセンス分光法
検体を音響浮遊場または金型に配置した後、レーザーをオンにした。なお、すべてのレーザー操作において保護メガネを着用した。LightFieldソフトウェアを用いて、最も強い信号が得られるよう焦点位置を最適化し、検体上で最も小さく明るいレーザースポットとして視覚的に確認した。UV照射前にアルミナのフォトルミネッセンスピークの収集を開始し、0.5 sごとにピークを取得した。5 s間のUV照射前ベースライン収集後、UV LEDを起動し、検体の完全な硬化を確実にするため、5 min間データ収集を継続した。硬化後、UV LEDをオフにした。非接触条件では、硬化したビーズを容器に回収した。接触条件では、ピンセットを用いて硬化した検体をシリコン型から取り出した。汚染および皮膚への刺激を防ぐため、全過程を通じて検体への直接的な接触を避けた。
放射光X線回折
試料を配置した後、X線ビームを試料の中心に合わせました。具体的には、無容器状態では浮遊ビーズの中心に、接触状態ではモールド内の試料の中心に合わせました。X線ビームを起動する前に、実験室（ハッチ）を密閉しました。X線ビームとUV LEDを同時に点灯させ、UV硬化の間、回折データを収集しました。試料が完全に硬化するまでデータ収集を継続し、本研究では関心領域の全範囲を捉えるため、10分間データを収集しました。硬化後、UV LEDとX線ビームを消灯し、分光法セットアップの説明と同様の手順で試料を回収しました。その際、汚染や皮膚への刺激を防ぐため、直接的な接触を避けました。
データ解析
フォトルミネッセンス・ピークフィッティング法
アルミナのR1およびR2ピークを含む生の光ルミネセンススペクトル（図4A）を、全硬化データセットから抽出し、後処理のためにMATLAB にインポートした。
図4PLおよび放射光XRD測定のデータ解析ワークフロー。 (A) PLスペクトルは、バックグラウンド除去およびアルミナのR1およびR2ピークの擬似フォークト関数フィッティングによって処理され、硬化中のピーク位置を抽出する。B放射光XRD回折リングを変換して一次元の回折プロファイルへと積分し、次にアルミナ(116)ピークに擬似フォークト関数フィッティングを行い、ピーク位置を抽出して硬化誘起ひずみを算出する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
各スペクトルから背景ノイズを除去し、傾斜したベースラインをx軸にほぼ一致するように補正した。アルミナのフォトルミネッセンスピークに対して擬似フォークト（Pseudo-Voigt）フィッティングを行い、R1およびR2ピークを正確にフィッティングさせた35。ピークのフィッティングには、制約付き非線形最適化アルゴリズム（fmincon）を用い、擬似フォークト関数に適合させた。各ピーク（R1およびR2）につき、面積、中心位置、半値全幅（FWHM）、および形状因子（0 = 純粋なガウス関数、1 = 純粋なローレンツ関数）を4つの自由パラメータとした。フィッティングの前に、14300および14500 cm⁻1における生の強度に適合させた線形背景を各スペクトルから差し引いた。初期パラメータの推定値は、平滑化およびベースライン補正後の各スペクトルから直接算出し、フィッティングの境界条件は各初期推定値に対するパーセンテージ範囲（面積：50–150%、FWHM：60–180%）として設定した。フィッティングの精度は、正規化平均二乗誤差（NRMSE）を用いて評価した。硬化プロセス全体を通じて、各時点でのフィッティング後のピーク位置を抽出し、各フィッティング位置をUV照射前の初期値と比較することでピークシフトを算出した。
XRDピークフィッティング法
2次元回折画像をXRD処理ソフトウェアまたはMATLABにインポートして解析した。XRDデータは、材料の歪みに関する情報を得るために解析することが可能である36,37,38。アルミナ粒子からの回折リングを特定し（図 4B）、格子間隔の変化を追跡するための鮮明さを基準に、アルミナ (116) ピークに対応するリングを選択した。この段階で2次元回折画像から直接リングを特定することは、積分前のデータ品質の定性的チェックとして機能し、リングが完全で連続していること（試料への均一な照射およびビームクリッピングがないことを示す）、検出器のアライメントと中心位置が正しいこと、および積分プロファイルを歪ませる可能性のある寄生散乱や偽のフィーチャーが存在しないことを確認した。リングの品質が確認された後、選択したリングを方位角変換画像に変換し、360°の方位角範囲全体で積分して1次元回折プロファイルを得た。その後、定量的なピーク位置フィッティングを行い、d-spacingを抽出して硬化誘起歪みを算出した。積分プロファイル中のアルミナ (116) ピークを擬似Voigt関数でフィッティングしてピーク位置を決定し、硬化中の各回折フレームにおいてこれを抽出した。ピークは、強度、中心位置、幅 (FWHM)、および形状（ガウス分布対ローレンツ分布の比）をフィッティングパラメータとして、非線形最小二乗法アルゴリズム (lsqnonlin) を用いて擬似Voigt関数にフィッティングした。フィッティングの前に、各スペクトルから線形背景を差し引いた。フィッティングは、収束許容誤差 10⁻4 の境界制約を設けて行った。格子間隔の変化は、フィッティングされたピーク位置からブラッグの法則を用いて算出した：
ここで、dは格子面間隔、nは回折次数、λはX線波長、θはブラッグ角である。慣習的にCu Ka線を用いて指数付けされる標準的なアルミナ参照回折パターンと直接比較するため、測定されたd間隔を用いて、ブラッグの法則に基づきCu Ka線（λ = 1.54056 Å）に相当する等価的な2θ値をさらに算出した。回折角の軸には、本来のシンクロトロン2θスケール（λ = 0.137 Å）ではなく、この慣習的な等価2θスケールを使用した。その後、各時点における格子面間隔をUV照射前の初期値と比較することで、硬化誘起ひずみを算出した：
ここで、dt = n sは硬化中の各時点における格子間隔であり、d0はUV照射前の初期格子間隔である。
結果
フォトルミネッセンス分光法の結果
初期段階のPL応答は、接触条件下および容器なし条件下で、硬化誘起応力がどのように発生するかについての知見を与えます。図 5 は、両方の条件における最初の 20 s の間のアルミナ光ルミネッセンスピーク位置の平均的な推移を示しており、UV照射前のベースライン、UV照射直後に起こる急激な波数減少、および硬化が進むにつれて起こるその後の部分的な回復を捉えています。
図 5. UV硬化中の初期段階における波数変化を示す平均PL結果。アルミナのフォトルミネッセンスピーク位置を、条件ごとに3つの複製試料（n = 3）で平均し、接触条件下および非接触条件下での硬化開始後20 sの間追跡した。エラーバーは試料間の標準偏差を表す。最初の 5 sはUV照射前のベースラインであり、続いてUV照射、固化する樹脂から埋め込まれたアルミナ粒子への圧縮応力の伝達による急速な波数減少、そしてポリマーネットワークの安定化に伴うその後の部分的な回復が示されている。こちらをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
PLについては、条件ごとに3つの独立した検体（n = 3）を測定しました。各条件における3つの繰り返し実験すべての生データは、データ可用性ステートメントに記載されています。
硬化の最初の20 sは特に重要である。なぜなら、この期間に最大の波数変化が起こり、UV照射開始直後に最も急速な応力進展が生じることが示されるからである。UV照射前において、2つの条件では異なる初期波数を示した。条件間のこのUV照射前の差は0.660 cm-1であった（初期波数の平均値は、コンテナレスで14402.01 ± 0.028 cm-1、接触ありで14401.350 ± 0.009 cm-1、n = 3）。本研究で報告される以降のすべてのピークシフト値は、各試料自体のUV照射前のベースラインに対して算出されている。
UV LEDが5 sで点灯すると、樹脂が急速に光重合し、埋め込まれたアルミナ粒子の周囲で凝固し始め、それに伴いアルミナのピークがより低い波数へとシフトします。表面接触させた試料では、約5 sから7 sの間で波数の減少がより速く起こります。対照的に、容器なしの試料では減少がより緩やかであり、金型壁による拘束がないためストレスの発生が遅いことが示唆されます。
この急激な減少の後、どちらの条件においても平均波数が最小値に達し、その後、硬化が進むにつれてより高い波数へと部分的に回復します。接触条件ではより早く最小値に達し、回復はより小さく緩やかであり、20 sのウィンドウの残りの期間を通じて比較的安定した状態を維持します。非接触条件では、最小値に達するのがわずかに遅く、14 s付近からより顕著な回復を示します。
すべてのPL測定は、良好なデータ取得の基準を満たしていた。具体的には、取得期間を通じて高いS/N比を維持し、明確に分離したR1/R2ダブレットが観察され、かつ硬化期間全体にわたって試料がファイバーオプティックプローブの焦点スポット内に継続的に配置されていた。報告したデータセットから除外された試料はない。本研究では観察されなかったが、プローブの焦点スポット外へのビーズのドリフトによる部分的な信号損失や、追加の背景補正を必要とするベースラインの歪みなどの不十分な結果が生じる可能性について、再現性を担保するためにここに記す。
制御された浮遊状態における容器なし試料の形態
容器のない試料の初期段階の画像シーケンスは、UV硬化中に浮遊した樹脂ビーズが物理的にどのように反応するかを説明するのに役立ちます。図6は、液状からゲル化、そして急速な凝固に至るまでの連続的な時点におけるビーズの形態を示しており、UV活性化から60 sでの安定した固体状態に至るまでの完全な形状変化を捉えています。最終的なビーズサイズは2.5 × 2.5 × 1.4 mmです。
図6UV硬化中における浮遊樹脂ビーズの代表的な形状変化。 ビーズはUV照射前は液状を維持し、約1秒でゲル化し、2〜5秒の急速な凝固過程で目に見える形状変化を起こし、6秒までには安定した固体状態に達して、その後60秒まで変化は見られない。最終的な硬化ビーズのサイズ：2.5 × 2.5 × 1.4 mm この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
UV照射前は、ビーズが液状であるため、音響場に浮遊している間は滑らかな球状を維持します。UV LEDを点灯させると、最初の1–2 s以内にビーズのゲル化が始まります。3 sから5 sの間には、ビーズの形状変化がより明確になります。形状はわずかに歪み、滑らかさが失われます。約6 s後には、ビーズの大部分が固化し、形状はほとんど変化しなくなります。6 sから60 sまでビーズは比較的安定した状態にあり、主要な硬化と形状変化はUV照射後の最初の数秒間で起こることが示されています。
コンテナレスでの実行が成功した場合は、ゲル化および凝固の全過程を通じてビーズが音響節およびイメージング視野内に留まり、すべての時点での形態を捕捉できたことで定義される。ゲル化および凝固に伴う質量分布と表面特性の変化により、音響場に対する機械的応答が変化するため、硬化中にビーズがある程度の移動やずれが生じることは予想される。ビーズがイメージングフレームや音響節から完全に外れるほどの激しい移動やドリフトを伴う不十分な結果は、本研究では観察されなかったが、再現性を支持するためにここに記しておく。
放射光X線回折の結果
回折プロファイルにより、純粋なアルミナ粉末と、表面接触および容器なしの硬化条件で10分間硬化させた試料を比較しています。図7に、これら3つの試料すべての完全な回折プロファイルと、(116)ピークの拡大図を示しています。ここでの2θ位置のシフトは、各条件下における硬化誘起格子の歪みの大きさを直接的に反映しています。
図 7. UV硬化後の代表的なXRDピークシフト。純アルミナ粉末と、10分間硬化した接触試料および非接触試料のXRDプロファイルを比較している。回折角の軸は、標準的なアルミナ参照パターンと比較するため、本来のシンクロトロン尺度ではなく、等価的な従来角度尺度で表示されている。アルミナピークの拡大図では、接触試料で最大のシフトが見られ、これは硬化によって誘導された残留応力がより高いことと一致している。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
格子間隔の変化を追跡するために明確なピークが得られるため、ピークシフト解析にはアルミナの(116)ピークを選択した。拡大した(116)領域において、接触させた試料は純粋なアルミナ粉末と比較して最大のピークシフトを示している。容器なしの試料でもピークシフトが見られるが、そのシフト量は接触させた試料よりも小さい。この傾向は、接触させた条件が容器なしの条件よりも応力に関連した大きなピークシフトを示したPLの結果と一致している。したがって、PLとXRDの両方の結果から、硬化環境がアルミナ充填フォトポリマーナノ複合材料における残留応力の発生に影響を与えることが支持される。
XRDについては、条件ごとに3つの独立した試料（n = 3）を測定しました。条件ごとの3つのレプリケートすべての生データは、データ可用性ステートメントに記載されています。図 7は、条件ごとの代表的な試料1つを示しています。3つのレプリケートにおいて、最終的な(116)ピーク位置の平均値は、容器なし条件で 57.523° ± 0.042° 2θ (conventional)、接触条件で 57.786° ± 0.152° 2θ (conventional)であり、これは図 7に示される代表的な傾向と一致しています。
XRD測定の成功例では、硬化プロセス全体を通じてビーズがX線ビームのフットプリント内に保持されており、方位角積分およびピークフィッティングに適した、完全で連続的な回折リングが得られました。一方、不十分な結果となった場合は、音響場内でのビーズの移動により試料がビームフットプリントから外れ、回折リングが不完全または欠損していました。
データの可用性：
本研究の結果を裏付けるデータセットはZenodoリポジトリに登録されており、https://doi.org/10.5281/zenodo.20498417 で公開されています。アップロードされたデータセットは、フォトルミネッセンス分光法と放射光X線回折法の2つの手法を用いて取得されました。データは、音響浮遊装置内でのナノ複合材料の硬化に伴い in situ で収集されました。
ディスカッション
接触状態でのUV照射前機械的プレロード
接触させた試料で観察された初期波数（図5） が低いことは、試料調製、モールドによる拘束、またはカバーガラスとの相互作用により、硬化前にすでにストレスが導入されている可能性を示唆している。接触させた試料は硬化前にシリコンモールドとカバーガラスの両方に囲まれているのに対し、非接触の試料は固形物との接触なしに音響場に導入されるため、接触条件下で観察された初期波数の低下は、モールドおよびカバーガラスによる封入時に試料に加わった圧縮機械荷重に起因すると考えられる。このオフセットはUV照射が始まる前に存在しており、したがって硬化に関連するプロセスではなく、機械的なプリロード効果を反映している。したがって、この既存のオフセットは、各条件下でのピーク位置の経時変化には影響しないが、2つの条件が異なる絶対波数状態で硬化を開始することを意味しており、条件間の時間依存的な変化ではなく、絶対波数の値を比較する際にはこの点を考慮する必要がある。
硬化過程における応力発展の速度と回復
接触した試料では、約5〜7 sの間で波数減少がより速く起こっており（Figure 5）、これは金型に拘束された条件下で応力の蓄積と樹脂の硬化がより急速に進行することを示している。一方、容器なしの試料では減少がより緩やかであり、容器による拘束がない場合には応力の発達がより遅いことが示唆される。両方の条件で観察されたその後の部分的な回復は、ポリマーネットワークが安定するにつれて部分的な応力緩和が起こることと一致している。接触条件におけるより早期で小規模な回復と、容器なし条件におけるより後で顕著な回復は、容器の拘束がない場合に、より大きな応力緩和が起こることと整合している。
硬化速度の根拠としてのビード形態
ビーズの形態変化のシーケンス（図 6） は、微視的構造レベルでのこの挙動を説明するのに役立ちます。UV照射前、ビーズは液体状態で保持されています。約 1 s でゲル化が起こり、ここが樹脂が固体ネットワークを形成し始める時点となります。2 s から 5 s の間、ビーズは急速な凝固を起こし、それに伴い目に見える形状変化が生じます。これは、ビーズが音場内で移動している間に樹脂が硬化するためであり、樹脂が十分に固まると、元の丸い液体形状に戻ることができなくなるため、この変形の一部が固定されます。約 6 s までにビーズは安定した固体状態に達し、60 s まで形状変化は見られません。このことは、硬化に関連する形状変化の大部分が、UV照射後の最初の数秒間に限定されていることを示しています。
硬化条件間の交絡因子
接触条件下でより高い残留応力が観察されたことは、容器レス条件下にはない剛壁による拘束の存在と整合していますが、その他の要因も2つの硬化環境を区別しており、本研究ではこれらを個別に分離して検討していません。UV波長およびUV LEDから試料までの距離は両条件で一定に保持されていたため、これらが観察された差に寄与することはありません。しかし、露出面の酸素阻害、試料の比表面積、熱伝達および放熱、蒸発損失、試料の幾何学的形状、および硬化速度などの要因は、2つの条件間で異なる可能性があり、本研究では個別に分離されていません。これに関連して、最終的なビード形状も条件間で多少異なります。接触試料はシリコンモールドのディスク状の幾何学的形状に拘束されますが、容器レス試料は音響場によって形成される楕円体形状となります。試料の幾何学的形状自体が局所的な収縮勾配や硬化挙動に影響を与える可能性があるため、この形状の違いは、本研究で分離されなかったさらなる要因となります。しかし、2種類の試料タイプは全体的なサイズにおいて概ね比較可能であり、形状も劇的に異なるわけではありません。今後、両条件で一致または制御された試料形状を用いた研究を行うことで、壁の拘束自体の影響からこの効果を分離することが可能になると考えられます。注目すべきは、これらの要因が、単に排除すべき実験的なアーティファクトではなく、地球上（モールド拘束下）と宇宙空間（容器レス）の製造環境との間に本質的に存在する相違点でもあるということです。各要因の個別の寄与を分離することは本研究の範囲外であり、本研究では代わりに、接触硬化環境と容器レス硬化環境の全体としての正味の応力差を報告しています。
音響浮遊は容器のない機械的境界条件を再現しますが、真の微小重力環境を完全に再現するものではない点に留意する必要があります。浮遊させたビーズの形状は、個体間で安定しており再現性がありました（図6）。また、硬化中に明らかな粒子の沈降は見られませんでした。このことは、試料を安定して浮遊させるために音響場によって生成された内部流が、ビーズの形態や粒子分布に目に見える乱れを引き起こさなかったことを示しています。繰り返し測定した試料において観察された傾向が一致しており、PLおよびXRDの両方で同様の結果が得られたことは、条件間に見られた差異の主な要因が容器壁による制約であることを裏付けています。
ここで提示した結果と知見は、微小重力支援製造に向けた宇宙ミッションに先立ち、容器なし環境がナノ複合材料の製造に及ぼす影響を示す地上データへの容易なアクセスを可能にする、これらの実験的手法の有用性を実証しています。これらの結果は、宇宙アプリケーション向けの機能性材料の開発に向けた、製造プロセスおよび材料組成のさらなる最適化の基礎となります。
容器レス条件と比較して、接触条件下で一貫して大きなピークシフトが観察されたことは、残留応力がより高いことと一致しており、宇宙空間での製造に潜在的な影響を及ぼします。微小重力下で処理される材料は、自然に容器レス状態で硬化するため、最終製品に蓄積される残留応力は、地球上で金型を用いて製造された同一組成の材料とは異なります。残留応力は、硬化ポリマー複合材料全般において、機械的性能、寸法安定性、および長期耐久性に寄与することが知られています39,40,41,42。しかしながら、本研究では残留応力の進展のみを特性評価しており、硬化試料の機械的試験は含まれていません。したがって、観察された応力の差が、機械的性能や耐久性の測定可能な差にどの程度反映されるかは、今後の検証課題となります。それにもかかわらず、これらの結果は、宇宙 applications 向けにナノ複合材料を認定する際に処理環境を考慮する必要があることを強調しており、金型で硬化した試料に基づく地球上の材料特性データベースでは、容器レスの微小重力関連条件下で製造された同一材料の残留応力状態を完全に把握できない可能性を示唆しています。両方の条件下で硬化させた試料を直接的に機械的特性評価することは、この関連性を確立するための今後の重要な研究方向です。
重要なステップとトラブルシューティング
容器を用いない試料調製において、再現性のために特に注意すべき点が2つあります。まず、分注中のビーズの安定した浮遊状態の維持は、音響振幅に敏感に反応します。ビーズが音響節の周囲で大きく変位する場合、それはトラッピング力がビーズの質量および位置に対して不均衡であることを示しています。このような状況では、振幅を大幅に調整するのではなく、段階的に減少させる必要があります。なぜなら、力学的平衡に必要なレベルまで振幅を下げすぎると、ビーズが場から脱落するためです。したがって、振幅の調整は、一度の修正ステップで行うのではなく、ビーズの安定性をリアルタイムで監視しながら、少量の増分で慎重に行うことが最適です。
第二に、スラリー液滴をシリンジチップから音響ノードへ確実に分離させる操作は、スラリーの粘度、表面張力、チップ径、濡れ性、液滴量、およびトラップ強度など、相互に影響し合ういくつかの要因に左右されます。本研究では、手動での分離を行わず、音響放射力のみを用いて18ゲージのシリンジチップ（長さ1.26）から液滴を分離させましたが、本検討で使用した液滴量およびスラリー粘度において、この方法は信頼できることが確認されました。シリンジチップ径と同等またはそれ以下の液滴サイズで試行する場合や、より高粘度のスラリーを使用する場合、音響的な牽引力だけでは液滴がチップから完全に分離しない可能性があります。そのような場合は、確実な液滴ロードを実現するために、スラリーの粘度を下げるか、より内径の大きいチップに変更することが推奨されます。
開示事項
著者らは、競合する利益がないことを宣言します。
謝辞
本資料は、米国国立科学財団（National Science Foundation）の助成金 CMMI 2349931 による支援を受けた研究に基づいています。本研究は、米国エネルギー省（DOE）科学局のユーザー施設であり、契約番号 DE-AC02-06CH11357 に基づきアルゴン国立研究所がDOE科学局のために運営する Advanced Photon Source からの APS ビームタイムアワード（DOI: https://doi.org/10.46936/APS-191109/60014859）を用いて実施されました。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| α-アルミナ粉末 | Inframat Advanced Materials | 26N-0802A | アルミナ粉末 |
| d-SAL | Materials Development, Inc. (MDI) | - | 音響浮揚 |
| Elegoo ABSライク光硬化樹脂 | ELEGOO | X004C0BJT | 樹脂 |
| INTLLAB MS-500 | INTLLAB | - | マグネティックスターラー |
| ライトフィールド | Teledyne Princeton Instruments, Trenton, NJ, USA | ライトフィールド・イメージング・システム ライトフィールド・イメージングは、従来の2Dイメージングでは不可能な、3D空間における物体、構造、および現象の包括的な理解を可能にします。 ライトフィールド（光場）とは、画像内の各ピクセルにおける光の強度だけでなく、その光がどの方向から到達したかという方向情報（ベクトル）を同時に記録したものです。この高度なデータ取得により、撮影後のポストプロセスにおいて、任意の視点からの再構成や、焦点位置の自由な変更（リフォーカス）が可能になります。 主要なメリット： ・次元の拡張：従来の2D画像に深度情報を加え、シーンの完全な3D表現を実現します。 ・柔軟なポストプロセス：撮影後に視点を変更したり、ピント位置を調整したりすることができ、再撮影の手間を省きます。 ・高精度な定量分析：物体の形状、体積、および空間的な配置を正確に測定でき、科学的な解析の精度が向上します。 ・非侵襲的な観察：サンプルに物理的な接触や干渉を与えることなく、詳細な3D構造を捉えることができます。 応用分野： ・顕微鏡検査：細胞や組織の3D構造を可視化し、生物学的プロセスを詳細に解析します。 ・材料科学：材料の表面形態や内部構造の3Dマッピングを行い、欠陥解析や物性評価に活用します。 ・産業検査：複雑な形状の部品の品質管理や、非破壊検査における高精度な3D計測に利用されます。 ・医療診断：生体組織の立体的なイメージングにより、より正確な診断と治療計画を支援します。&垂直方向=tvs-プリンストン・インストルメンツ&セグメント=tvs | |
| MATLAB | The MathWorks, Inc.（米国マサチューセッツ州ナティック） | MATLAB - 数値解析およびプログラミングプラットフォーム | MathWorks |
参考文献
- Merancy N. et al. ESDMD-001: Moon to Mars architecture definition document | Revision C - 2025. National Aeronautics and Space Administration; Washington (DC); 2025 Dec. Report No.: NASA/TP-20250010956. Available from: http://www.sti.nasa.gov
- Denis G. et al. From new space to big space: How commercial space dream is becoming a reality. Acta Astronaut. 2020;166:431—443.
- Mueller RP. Lunar base construction planning [conference presentation]. Presented at: Earth and Space 2022. 2022:858–870.
- Duke MB, Mendell WW. Scientific investigations at a lunar base. Acta Astronaut. 1988;17(7):675—690.
- Wahl McDonnell Douglas Corp BW, Wahl McDonnell BW. Analysis of selected opportunities for manufacturing in space. Vol. 2. 1969. Available from: https://commons.erau.edu/space-congress-proceedings/proceedings-1969-6th-v2/session-11/2
- Naser MZ, Chehab AI. Polymers in space exploration and commercialization. In: AlMaadeed MAA, Ponnamma D, Carignano MA, eds. Polymer Science and Innovative Applications. Elsevier; 2020:457—484.
- Dmitriev RI. et al. Versatile conjugated polymer nanoparticles for high-resolution O2 imaging in cells and 3D tissue models. ACS Nano. 2015;9(5):5275—5288.
- Li X. et al. High-temperature capacitive energy storage in polymer nanocomposites through nanoconfinement. Nat Commun. 2024;15(1):6655.
- Amberkar T, Mahanwar P. Phase change material nanocomposites for thermal energy storage applications. Materials Proceedings. 2022;9(1):8.
- Harsch M, Karger-Kocsis J, Holst M. Influence of fillers and additives on the cure kinetics of an epoxy/anhydride resin. Eur Polym J. 2007;43(4):1168—1178.
- Stevenson A, Jones A, Raghavan S. Stress-sensing nanomaterial calibrated with photostimulated luminescence emission. Nano Lett. 2011;11(8):3274—3278.
- Sarioglu C, Schumann E, Blachere JR, Pettit FS, Meier GH. X-ray determination of stresses in alumina scales on high temperature alloys. Materials at High Temperatures. 2000;17(1):109—115.
- Leoni M, Scardi P, Sglavo VM. Relaxation of indentation residual stress in alumina: Experimental observation by X-ray diffraction. J Eur Ceram Soc. 1998;18(12):1663—1668.
- Abuhasan A, Balasingh C, Predecki P. Residual stresses in Alumina/Silicon Carbide (Whisker) composites by X-ray diffraction. J Am Ceram Soc. 1990;73(8):2474—2484.
- Noyan IC, Cohen JB. Residual Stress: Measurement by Diffraction and Interpretation. Springer; 2013.
- Jantananont P, et al. Characterizing UV resin curing with additives under simulated microgravity for in-space manufacturing. Presented at: AIAA SciTech 2026 Forum; 2026 Jan 8. doi:10.2514/6.2026-1047.
- de Hoffmann SI, Greenwood LJ, Raghavan S. The use of regolith simulant as a material for building functional sensors in extreme environments. Presented at: Regional Student Conferences, 2025; 2025. doi:10.2514/6.2025-99380.
- Sorgi Johann ML, et al. Investigating the Raman characteristics of regolith simulants towards the creation of functional materials. Presented at: AIAA SCITECH 2025 Forum; 2025:2501.
- Astacio J, et al. In-space manufacturing of functional sensors. Presented at: 75th International Astronautical Congress (IAC 2024), 2024 IAF Microgravity Sciences and Processes Symposium; Milan, Italy; 2024:538–544.
- Warren P, et al. Effect of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of molded Martian and Lunar regolith. Ceram Int. 2022;48(23):35825—35833.
- Latorre P, et al., inventors; University of Central Florida Research Foundation, Inc., assignee. Manufacturing sensors using celestial body regolith. United States patent US 12,576,583 B2. 2026 Mar 17.
- Tuckermann R, et al. Chemical analysis of acoustically levitated drops by Raman spectroscopy. Anal Bioanal Chem. 2009;394(5):1433—1441.
- Li L, Gu N, Dong H, Li B, Kenneth TVG. Analysis of the effects of acoustic levitation to simulate the microgravity environment on the development of early zebrafish embryos. RSC Adv. 2020;10(72):44593—44600.
- Boudreaux T, et al. Biological acoustic levitation and its potential application for microgravity study. Bioengineering. 2025;12(5).
- Vashi A, Yadav AS, Nguyen NT, Sreejith KR. Parametric analysis of acoustically levitated droplet for potential microgravity application. Appl Acoust. 2023;213.
- Wilke SK, et al. Microgravity effects on nonequilibrium melt processing of neodymium titanate: Thermophysical properties, atomic structure, glass formation and crystallization. npj Microgravity. 2024;10(1):26.
- Bauser HC, et al. A study on the stability of ritonavir form III processed in orbit and returned to Earth. npj Microgravity. 2026;12(1).
- Leiterer J, et al. The use of an acoustic levitator to follow crystallization in small droplets by energy-dispersive X-ray diffraction. J Appl Crystallogr. 2006;39(5):771—773.
- Sønderby P, et al. Concentrated protein solutions investigated using acoustic levitation and small-angle X-ray scattering. J Synchrotron Radiat. 2020;27(2):396—404.
- Tsujino S, Tomizaki T. Ultrasonic acoustic levitation for fast frame rate X-ray protein crystallography at room temperature. Sci Rep. 2016;6(1):25558.
- Morris RH, et al. Non-contact universal sample presentation for room temperature macromolecular crystallography using acoustic levitation. Sci Rep. 2019;9(1):12431.
- Andrade MAB, Marzo A, Adamowski JC. Acoustic levitation in mid-air: Recent advances, challenges, and future perspectives. Appl Phys Lett. 2020;116(25):250501.
- Hanhan I, Durnberg E, Freihofer G, Akin P, Raghavan S. Portable piezospectroscopy system: Non-contact in situ stress sensing through high resolution photo-luminescent mapping. J Instrum. 2014;9(11):P11005—P11005.
- Freihofer G, Poliah L, Walker K, Medina A, Raghavan S. Optical stress probe: In situ stress mapping with Raman and photo-stimulated luminescence spectroscopy. J Instrum. 2010;5(12):P12003—P12003.
- Raghavan S, Imbrie PK, Crossley WA. Spectral analysis of R-lines and vibronic sidebands in the emission spectrum of ruby using genetic algorithms. Appl Spectrosc. 2008;62(7):759—765.
- Rossmann L, et al. Method for conducting in situ high-temperature digital image correlation with simultaneous synchrotron measurements under thermomechanical conditions. Rev Sci Instrum. 2020;91(3):033705.
- Siddiqui SF, et al. Synchrotron X-ray measurement techniques for thermal barrier coated cylindrical samples under thermal gradients. Rev Sci Instrum. 2013;84(8):083904.
- Raghavan S, Imbrie P. High-resolution stress mapping of polycrystalline alumina compression using synchrotron X-ray diffraction. J Synchrotron Radiat. 2011;18(3):497—505.
- Shokrieh MM, Ghanei Mohammadi AR. The importance of measuring residual stresses in composite materials. In: Shokrieh MM, ed. Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing; 2014:3—14.
- Shokrieh MM, Akbari S, Daneshvar A. Reduction of residual stresses in polymer composites using nano-additives. In: Shokrieh MM, ed. Residual Stresses in Composite Materials. Woodhead Publishing; 2014:246—268.
- Nardi T, et al. Stress reduction mechanisms during photopolymerization of functionally graded polymer nanocomposite coatings. Prog Org Coat. 2015;87:204—212.
- Rahimian-Koloor SM, Shokrieh MM. Investigating the effect of the curing-induced residual stress on the mechanical behavior of carbon nanotube/epoxy nanocomposites by molecular dynamics simulation. Eng Sci. 2023;22:817.
再版と許可
この記事は公開されました
動画は近日公開