京都大学ELCAS(エルキャス)

実施レポート

[基盤コース後期]物理工学

2017年2月4日

  • 実施場所

    桂キャンパス C3棟 bB1N01室

  • 当日の講師

    木村 健二 教授(マイクロエンジニアリング専攻 ナノ物性工学研究室)

  • チューター

    佐藤 広野、橋爪 優輝

  • 実習の内容

    これまでの実習のまとめと発表準備

  • physical-engineeringチューターから発表方法の説明を受ける
  • physical-engineering発表会のための資料を作成
  • physical-engineering発表会のための資料を作成

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 今回は今までの実験を通じて学んだ事を発表会にむけてパワーポイントを作るというものだった。私は一番印象に残っていた光とプラズマを担当する事ができた。私達が教授から教えて頂いた事を時間内にどれほどわかりやすく伝えるかが難しかったが、なかなか良いものが出来たと思う。特にそれぞれの単位からある程度の公式を予想できるという点に一番驚いたので、発表会ではそれをうまく伝えたい。
  • 発表練習をするにあたり、ただもらったプリント通りにパワーポイントを作るのでは足りないということに気づかされました。作り終えた後も、大学院生が一緒に文章を練り直してくださり、正しい言葉だと思っていたものが間違っていたりとまだまだ、未熟であることを痛感しました。

2017年1月21日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 工学部物理系校舎

  • 当日の講師

    杉村 博之 教授(工学研究科材料工学専攻機能構築学研究室)
    宇都宮 徹 助教(工学研究科材料工学専攻機能構築学研究室)

  • チューター

    寶 雄也、高谷 祐毅、米田 真

  • 実習の内容

    実験全体の説明を行った後、銅メッシュ、ステンレスメッシュ、アルミ箔と銅箔に自己集積化単分子膜の作製を行った。水滴接触角測定を用いて、清浄な金属箔表面と単分子膜で被覆した金属箔表面の水に対する濡れ性の違いを観察した。高々数nm程度の厚さである単分子膜が水に対する濡れに影響することを実証した。また、X線光電子分光装置の測定装置を見学し、清浄な金属表面と単分子膜を被覆した試料で、表面の元素組成が異なることを説明した。

  • 物理工学_実習風景金属板の洗浄
  • 物理工学_実習風景自己集積化単分子膜を作製した試料の水滴接触角を測定

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 今回は金属(銅)などの基盤を溶液につけておき1分子レベルの超薄膜を作成し、性質の変化をみるというものだった。まず加工をしていなく、きれいに洗った基盤に水滴をたらすと、水滴がとてもよく広がった。つまり「濡れやすさ」が大きかった。しかし、表面に加工した物に水滴をたらすと、水滴はあまり広がる事がなく、「濡れやすさ」が小さくなっていた。見た目では、何の変化がないにもかかわらず、性質が変わっていたのは驚きだった。教授の方があまり実用化されていないとおっしゃっていたが、短い時間でこれほどの変化が出たので手軽な道具に応用されると思う。
  • 今回のテーマは基盤(金属板とメッシュ)の上にSAM(自己集積化単分子膜)を作り、表面の性質(今回は濡れ性)を変化させることだった。単分子膜というとステアリン酸で聞いたことがあるくらいだったが、分子の種類によって性質を大きく変えられる(しかも見た目の変化はほぼない)ことや、基盤を溶液に浸しておくだけで作成できることに驚いた。また実際に茶こしにSAMを作成したものに水を入れていくと流れずにたまっていくのを見せていただき、その威力がよく分かった。 分光測定や接触角の測定の現場も見れて、とても興味深かった。 この研究の具体的な応用用途はまだ決まっていないそうだが、将来どのように役に立っていくのか楽しみになった。

2017年1月7日

  • 実施場所

    桂キャンパス CIII棟 cB1S01室他

  • 当日の講師

    鈴木 基史 教授(工学研究科マイクロ加工システム分野)
    名村 今日子 助教(工学研究科マイクロ加工システム分野)

  • チューター

    舛中 翔馬、今福 壮貴、岡井 俊介

  • 実習の内容

    本実習では、身の回りにある物質の赤外線吸収特性と高温に加熱した物体からの赤外線放射特性を調べ、熱ふく射の法則や地球温暖化のメカニズムについて考察した。具体的には、
    ・フーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)を使用して、石英板、ガラス板、ケイ素板、アルミニウム薄膜、二酸化炭素ガスの吸収スペクトルを測定
    ・熱電対温度計、放射温度計、熱画像計測装置の異なる温度計測法を用いて異なる物質の温度を測定して、赤外線吸収特性と赤外線放射特性との相関を考察した。

  • 物理工学_実習風景実習風景
  • 物理工学_実習風景放射温度計で温度を測定
  • 物理工学_実習風景受講生と担当教員の集合写真(熱画像)

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 今回はフーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)を使用した色々な物質の赤外線領域での透過率、反射率を測定する実習と、熱電対温度計、放射温度計、熱画像計測装置(サーモグラフィ、サーモビュアー)などを用いて異なる物質の温度の測定の実習でした。FT-IRを使用した実習では、物質の色が変わると透過率・反射率も変わったのですが、二酸化炭素ガスのときも変化したことから肉眼では識別できない色を持っているか化学反応を起こしているのか疑問に思い、必ずしも色だけ赤外線と反応しているわけではないと感じました。サーモグラフィ等を用いた実習では、アルミニウムは自ら赤外線は発しませんが、外側から黒く見える部分をつくるとサーモグラフィでそこだけ高温だと認識しました。赤外線は、試行錯誤次第でエネルギーを動かし得る、そんな重要な要素のことについて学べて有意義でした。
  • 熱輻射に関するキルヒホッフの法則を軸として実習を行った。まず、FT-IRで赤外線の透過率、反射率を測定して、物体における可視光の吸収率と、赤外線の吸収率が大きく異なっていることを学んだ。金属のような光沢があるシリコンは多くの赤外線を透過し、窓などに使われる透明なガラスは多くの赤外線をを吸収するのである。つぎに、実測することはできなかったが、放射温度計や熱画像計測装置を用いて物体の放射特性を見た。このとき、同じ温度の物体ごとの放射する赤外線の強度と、その物体の赤外線の吸収率が正の相関関係にあることが分かった。また、熱したいくつかの物質を重ねてサーモグラフィで見ることによりどの物質が赤外線をよく透過するのかを目で見ることができた。そして、空洞を作ってそこに小さな穴を開けることで、黒体に近いものを作ることができるということを学んだ。また、地球の大気の温室効果ガスは赤外線を吸収して放射しているのだということを知った。そして、大気の中にごくわずかしか含まれていないCO2が本当に地球温暖化の大きな要因となっているのかは、まだ言い切ることができないということを知った。

2016年12月17日

  • 実施場所

    桂キャンパス C3棟 bB1N01室、b4N01室

  • 当日の講師

    木村 健二 教授(ナノ物性工学研究室)、中嶋 薫 准教授(ナノ物性工学研究室)

  • チューター

    水野 雅隆、佐藤 広野、橋爪 優輝

  • 実習の内容

    (説明)加速器から得られる高速イオンビームを用いたイオン散乱分析法について、概説した。原子、イオンに関する基礎的な説明を行ったのち、イオン散乱法の原理となる物理について説明した。また、イオン散乱分析法で必要となる超高真空について簡単に説明した。
    (実験)実習生2名ずつ3班に分かれて、3種類の分析試料(組成・膜厚などの一部の情報を伏せたもの)をそれぞれ1試料ずつ、bB1N01室のイオンビーム分析装置を用いて、高分解能ラザフォード後方散乱法で分析を行った。
    (解析)チューターの指導の下、各班ごとに自身が測定を担当した試料について解析を行った。測定データから散乱イオンのエネルギースペクトルを作成したのち、解析ソフトを用いて手動で測定結果を再現する組成・深さプロファイルを探索する作業を行った。

  • 物理工学_実習風景イオン散乱法の概要と原理・真空についての説明
  • 物理工学_実習風景実験室で2名1班で1つの試料を担当して測定
  • 物理工学_実習風景PC上で測定データを処理して、解析を行う

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 今回は物質にイオンビームをあてて、その結果から物質の表面に「何が、どこに、どのくらい」あるのかを分析するというものだった。その中で、3つの班にわかれ私は「酸化シリコンの多層膜」を分析する班だった。イオンビームをあてる際にすべての表面を一度に計れないため、3回にわけて計測した。そして3つのデータがでてきて、どれも条件が微妙にに違うため、3つのデータを合わせるには微調整が必要だった。しかし、これにとても時間がかかった。どれも人が行っていたが、コンピューターにしてもらう事は出来ないのかと思った。最終的に酸素6.8割とハフニウム3.2割の層と酸素6.8割とシリコン3.2割の層が交互に4回あり最後に酸素6.8割とハフニウム3.2の層が一層あった。これは表面から15×10^16cm-2のところの構造であり、人間の肉眼では決して判別できないものなので、とても画期的な方法だと思った。また、イオンビームをあてた物質に変化がないのがこの方法の利点ではないかと思った。
  • 今回のELCASでは、イオンを真空状態で物質に当て、散乱したイオンのエネルギーの大きさを測り元素を推測するというものでした。そこで、私が大切だと思ったのは、仮説です。この物質はこのような元素から成っているのではないかと仮説を立てることで実験がよりスムーズにいくのだということを実感しました。また、実験によって得られたグラフより物質における元素のパーセンテージまでわかるということには驚きましたし、物質の表面から奥深いところではどのような違いがあるのかということもわかるということにはグラフの見方の再発見もでき、自分の視野が広がったようで良かったです。

2016年12月3日

  • 実施場所

    桂キャンパス  C3棟 bB1N02

  • 当日の講師

    蓮尾 昌裕 教授(工学研究科 機械理工学専攻 光工学研究室)

  • チューター

    角谷 仁郎、藤川 祥亘、寺本 達哉

  • 実習の内容

    光が目に見えることや色と光の波長との関係を概説後、実習内容、すなわちイオンスパッタリング装置によるミラーの作製と2重スリットによる光の干渉計測について説明した。一度に実験を行うことのできる人数の関係で、ミラー作製を先に行うグループと干渉計測を先に行うグループに分け、実習を開始した。ミラー作製においては、グロー放電プラズマを用いたイオンスパッタリング装置の原理について解説した。その後、実際にスライドガラス表面に金や白金を成膜し、ミラーを作製した。身の回りの物への金属膜成膜にも挑戦した。その過程で真空についても体験した。また、成膜にかかる待ち時間を利用して、各種光源のスペクトルを観測し、その性質の違いを体験した。干渉計測においては、予め準備もしくは自ら作製したミラーに定規と針を使って2重スリットを切った。スリットを光学顕微鏡で観測し、スリットの間隔を計測した。赤色、緑色、紫色のレーザーポインターの光を2重スリットに入射し、光の干渉を観測した。全ての実習を終えた後、各グループで得られた計測結果をもとに、干渉縞の間隔と2重スリットの間隔、光の波長の間に成り立つ法則をグループ毎に考察した。

  • 物理工学_実習風景イオンスパッタリング装置によるミラー作製の様子と作製したミラーの蛍光灯からの光の透過を確認
  • 物理工学_実習風景作製した2重スリットによる光の干渉を計測
  • 物理工学_実習風景光の干渉の法則を見つけるために計測結果をグループで検討

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 今回は主に複雑な機械は使わず、自分たちで装置を組みつつ、調整しつつ計測したが、チームで協力しながら条件を考え、数値から検討して何らかの答えを導くというのがとても楽しかった。大学ではこういうことを「答えのないこと」に対して行っているのだということが少し感じられた。また、実際と近い値が出たときは達成感を感じた。 前回の実習で試料が混ざってしまった失敗から、今回はスリット版に番号をつけ、しっかりと管理できた。 身近な光についてまだまだ知らないことが多く、発展中の部分も多いことを学び、これからまたどのようなことに応用されていくのかが楽しみになったし、そのための基礎の学習をしっかりしなければならないと思った。
  • 光の回折等の復習はもちろんのこと、白色電球と発光ダイオードとの違いが興味深かったです。両者とも黒体輻射ではあるのだろうと思ってはいましたが、エネルギー効率の差が可視光以外の波長の量にあるということは、あまり深く考えたこともなく、新鮮でした。前回も使用したイオンスパッタリング装置の汎用性を知ることができました。

2016年11月19日

  • 実施場所

    宇治キャンパス 総合研究棟112号室・213号室

  • 当日の講師

    松尾 二郎 准教授(附属量子理工学教育研究センター)
    瀬木 利夫 講師(原子核工学専攻)

  • チューター

    鈴木 敢士、石井 健太

  • 実習の内容

    花粉、蟻などを光学顕微鏡、電子顕微鏡を使って観察する。 それぞれの顕微鏡により同じものを観察し、測定方法の原理的な違いやその特徴について学習する。 蟻のような生物試料は、どの部分が面白いかを学生自身が考えて観察をおこなった。花の花粉は、花の種類によりどのような違いがあるのかなど、観察力を養うことの重要性を学修した。電子顕微鏡と光学顕微鏡の違いや電子顕微鏡特有のチャージアップの問題などを回避するための試料前処理なども実習した。最後に撮影した顕微鏡を使って、どのようなことが分かったのかを考えて、実験の問題点などを議論した。

  • 物理工学_実習風景電子顕微鏡を使って作成した試料を測定している。
    蟻を観察するためには、試料作製にも工夫が必要だが、それぞれ自分が作ったサンプルを実際に顕微鏡にセットして観察しているところ。

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 1、顕微鏡にもいろんな種類があり、それぞれが長所と短所を持つため、その特徴を上手く捉えて扱うことがとても大事だと言うこと。 2、細胞1個であれ花粉1個であれ、肉眼では細かく見えないものでも、面白い構造や特徴的な形があってもっと周りにあるものを調べてみようと思ったこと。3、京都大学では、自分達で自分達の学問のための検査器具を作っているから工具がたくさんおいてあったり、教授(や学生)がそれを修理できるということ。
  • 今回、最も印象に残っているのは、電子顕微鏡を使用して物体を見るときに注意するべきこと、必要なことについてです。電子顕微鏡では跳ね返ってきた電子によって物体を見るために、物体が帯電するのを防ぐ必要があり、そのため、コートをするという点に当然のことですが、納得させられました。また、コートの役目として、私たちは花粉を観察させていただいたのですが、その花粉が動き、写真に線が入るのを防ぐというものがあると知り、コートの重要さを学びました。最後には、自分の意見を示すという交流会があり、そこでは、短時間で考えをまとめるということの大変さと、大切さを学びました。

2016年11月5日

  • 実施場所

    宇治キャンパス 航空宇宙工学専攻風洞実験室

  • 当日の講師

    横山 直人 助教(工学研究科 航空宇宙工学専攻)

  • チューター

    井上 裕登、寺本 圭佑

  • 実習の内容

    諸注意、流れと構造の連成問題の概略、実験の説明を1時間ほど行なったのち、休憩を挟みながらwing rock(流れによって三角翼が振動する)現象の実験を行なった。 Wing rock実験では、流れが三角翼を振動させることを観察し、どのような流れが安定な振動が生じるかを議論した。また、高等学校で学習する線形調和振動と比較しつつ、wing rockによる振動が非線形性によって生じることを確認し、非線形性の物理的性質について議論した。

  • 物理工学_実習風景可視化した渦構造を観察
  • 物理工学_実習風景計測データに基づいて議論
  • 物理工学_実習風景計測データに基づいて議論

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 物体の流体力学の一種として、三角翼に風速15m/sの風を当てて、風の流れと三角翼の運動による相互作用の観察を行いました。そこで、担当の先生から「何故三角翼の仰角が大きいと、トルクの大小、ロール角、復元力が大きくなり、小さいと、小さくなるのか。」と尋ねられたとき、自分は様々な条件を考え過ぎてしまい、かえって一時は迷走してしまいましたが、少し条件を絞り込めば見出だせそうだと、活動を終えてから気付きました。どんなに未知なことでも、視点を絞り込むことで解明できそうになりうることを実感として学びました。
  • 渦は、流れの回転。圧力が小さくなる。力は圧力が高いところから低いところへはたらく。物質は、線形と非線形が存在する。渦の現象に関して完璧ではないが、理解を深めることができた。

平成29年度 実施レポート

年度別の実施レポート