任意屈折率のシリカエアロゲル開発と性能評価

田端誠，足立一郎 A ，福嶋知一，河合秀幸 B ，倉谷厚志，西田昌平 A ，布村崇裕，奥平恭子 C ，富岡功輔，矢野創 C ，横

川弘 D

千葉大自然，高エ研 A ，千葉大理 B ， ISAS / JAXAC ，松下電工 D

日本物理学会　第 61 回年次大会愛媛大学・松山大学2006/03/28(Tue)28pWL-5

2

低屈折率エアロゲル製作の困難

超臨界乾燥時の高温で

エアロゲルが収縮

密度が上がり、

屈折率が上がる

研究背景屈折率

1.31.08

1.005

1.001

液体・固体気体 シリカエアロゲル（ 固体 ）

高屈折率エアロゲル製作の困難

テトラメトキシシラン + 水 > 溶媒

　　　　　　　　調合液が分離

ゲル化が進行しない

3

これまでの成果低密度エアロゲルJPS 2004 春

2 層間の

化学的結合が

収縮を抑制する。

高屈折率エアロゲルJPS 2004 秋

製作途中で

意図的に

収縮させる。松下電工（株）

2 層式

標準製法

改善が必要• クラック• 反り・歪み• 透明度

高屈折率エアロゲルの開発

～ピンホール乾燥法～（室温ゆっくり乾燥→収縮）

5

標準製法調合

ゲル化

洗浄 1 疎水化処理

洗浄 2

超臨界乾燥

エアロゲル

アルコゲル

ピンホール乾燥

熟成

6

ピンホール乾燥法 ～高屈折率エアロゲルの製法～

ゲル構造を壊さずに収縮　　　　　→　密度（屈折率）増大

調合・半熟成後のアルコゲルを半密閉容器に入れ、徐々に溶媒を揮発させる

自然乾燥

ピンホール乾燥法

7

屈折率 と 透過長

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

1.000 1.050 1.100 1.150 1.200 1.250 1.300

Refractive Index @405nm

Tran

smission

Len

gth

[mm

]@40

0nm

Pinhole Drying '05[Methanol]

Reference '05[Methanol]

2005 年製作

8

屈折率 と 透過長

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

1.000 1.050 1.100 1.150 1.200 1.250 1.300

Refractive Index @405nm

Tran

smission

Len

gth

[mm

]@

400n

m

Pinhole Drying '06[Methanol]

Pinhole Drying '06[DMF]

Reference '06[Methanol]

Reference '06[DMF]

Pinhole Drying '05[Methanol]

Reference '05[Methanol]

ジメチルホルムアミド（ DMF）溶媒

9

密度 と 屈折率

n = 1.0031 + 0.2599ρr = 0.9961

1.000

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200

Density [g/cm3]

Refrac

tive in

dex

@40

5nm

Pinhole Drying

Reference

シリカエアロゲルの

密度と屈折率の関係

n = 1 + 0.25ρ

10

収縮度合い と 屈折率

n-1=(n0-1)s-3

1.000

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Length Contraction s

Refrac

tive In

dex

@ 405

nm

1.051(Methanol)

1.045(DMF)1.047(DMF)1.051(DMF)

1.057(DMF)calculated(1.051)calculated(1.045)

calculated(1.047)calculated(1.057)

s : 元の長さを 1 とした場合の 収縮後の長さ

n0 : 収縮しない場合の屈折率

低密度エアロゲルの開発

～フレーム構造法～（硬いゲルで囲んで収縮抑制）

12

フレーム構造法 ～低密度エアロゲルの製法～

ガラスケース・プレート エタノール溶媒 エタノール超臨界乾燥

2層式の応用

収縮率の小さなアルコゲルで型を形成する

内部に成型したアルコゲルは収縮が抑えられる

低密度エアロゲルの実現

フレーム構造テフロンシート

13

フレーム構造 (1.001)密度 : 0.00880±0.00008 g/cm3

（屈折率 1.0022 相当）

二層構造 (1.001)密度 : 0.01227±0.00001 g/cm3

（屈折率 1.0031 相当）

厚さ : 19.0mm → 11.5mm (61%)

二層構造 (1.0025)密度 : 0.01656±0.00008 g/cm3

（屈折率 1.0041 相当）

厚さ : 19.0mm → 14.0mm (74%)

密度測定

低密度エアロゲルサンプル

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まとめピンホール乾燥法により、屈折率が 1.1~1.3で、 20~25mm という高い透過長をもつエアロゲルを製作可能になった。

高エネルギー実験だけでなく、原子核実験などでの利用に期待。

フレーム構造法により、密度 0.01g/cm3 を下回るエアロゲルを初めて製作できた。

宇宙塵捕集材としての利用を目指す。

標準製法と 2 つの新製法により、気体と液体の間の屈折率をシリカエアロゲルでほぼ埋めることができる。