フィルムの表面に薄膜を形成して機能性フィルムを製造する技術は、写真フィルムが発明された時代から技術開発が続けられ、未だに先端技術分野で扱われている。今ではフィルムにトランジスタをロールtoロールで形成する技術が実用化されつつある。
有機トランジスタ薄膜を形成する最先端技術から単なるフィルムの帯電防止薄膜塗布のような先端技術まで薄膜塗布技術を眺めてみると、科学的というよりも泥臭い経験の積み重ね技術の占める割合が大きいことに気がつく。すなわちノウハウの比重が大きい。
技術内容については特許や学術論文で公開され、科学的に理解できる部分は公知であるが、それだけで実現できる世界ではないのが薄膜塗布技術である。簡単に思われる帯電防止薄膜についても経済的にも優れた技術になってくると科学の世界だけでは実現できない。タグチメソッドは一つの手段だが、システムが決まらなければそのメソッドも使用できない。
薄膜の世界では、ｋｇあたりのコストではなく平米あたりのコストで論じられることが多い。付き量が性能を左右する事が多いので結局は重量当たりのコストも大切なのだが、単位面積当たりのコストで比較した方が便利なためである。また重量当たりのコストが高くても薄膜の機能を少ない付き量で実現するという技術開発テーマもあるので、付き量よりも機能を実現できる単位面積当たりのコスト比較が重要になってくる。
薄膜塗布技術で面倒なのは塗布設備が大規模になる場合が多いことだ。スプレー塗布の場合にはそれほどの規模にはならないが、塗布液の組成の自由度が小さいという問題がある。換言すれば、塗布液の工夫を行えば塗布設備を簡略化できる、ということだ。このあたりのカンどころは経験が無いと大失敗につながる。
いろいろな薄膜塗布の開発を経験すると、実現したい機能性薄膜から容易に処方液と塗布方式が見えてくるようになる。写真フィルムの会社に勤務して勉強になったのは、プロセス担当がイメージするシステムと処方設計の担当者がイメージするシステムが異なる場合が存在したことだ。すなわち薄膜塗布技術では処方設計から塗布プロセスまで全てに熟知している必要がある。そして両者がわかるとレオロジーという学問のありがたさが見えてくる。
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仕事のため彼女の記者会見を全て見ることができなかったが、会見が始まって彼女の謝罪の言葉を聞いていると、こちらまで辛くせつなくなった。せっかくの大発見を前に、科学者としての実力を磨かないまま学位を取得し運良く現在の立場になったため、とんでもない不幸な状況に彼女は置かれているのだ。(注)
恐らく彼女の頭の中から今でも「ＳＴＡＰ細胞の発見」という偉業が離れないのだろう。当方も３０年以上前の高純度ＳｉＣを発明したときの興奮を今でも覚えている。しかしＦＤを壊される事件が起きたときには、事業の成功を夢見て問題を大きくすることを避け、開発担当の役目から身を引く道を選んだ。
しかし、昨日の彼女の会見は、科学的に疑いを晴らすと言うよりも理研と裁判で争う方向に見えた。この選択では、おそらくここまで社会的な大騒ぎになると裁判で白黒を明確にする方向ではなく、どこかで和解することになるのだろうが、しこりは残る。そのため、このような場合に個人の判断としてその後のことを考え、穏便に解決しようとするのが一般的だ。
ただ、穏便に解決した結果は明らかで、栄誉は得られない。栄誉は得られないが彼女が望む平穏な研究生活は戻る。究極の選択を迫られ、彼女は栄誉を選んだのだと思う。その後の彼女の人生を心配しなければいけない立場ではないが、学位論文も満足に書けず、またせっかくの大発見も台無しにしてしまう力量で栄誉だけを選ぶ、という選択には、会見の内容と合わせて考えると、どこか不純さを感じる。
おそらく今回の会見については賛否両論まっ二つにわかれるだろう。今回の場合ではマスコミが指摘しているように理研にも問題があり、彼女の科学に対する姿勢にも誠実さや真摯さが感じられない問題がある。もし彼女にそれなりの力量があったなら、今回とは異なる道を選んだと思う。少なくとも法廷闘争で決着をつけるような問題ではない。科学に真摯に向き合おうとするならば理研との関係修復を早く行い、立派な研究を行うことである。
（注）今回の事件は、科学に精通していなくとも、あるいは科学の力量が低くても科学の大発見ができるという大切な例になると思う。ＳＴＡＰ細胞は科学をよく理解できていなかったから発見できた、とも言える。技術のブレークスルーを行うのに科学が絶対に必要というわけではない。科学は「あれば便利」という役目に過ぎないのだ。また科学的に前向きの推論を進めた結果、時間がかかるということも起きる。科学の時代に科学的方法論は重要だが、それが全てではない、ということを今回の事件は示している。また凡人にも犬も歩けば棒に当たる的大発見の機会は存在し、その時に備え、科学以外の方法論も学んでおく必要がある。カラスでもクルミを割る方法を発明する時代である。弊社は科学も包括した技術開発の方法を指南します。
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材料の熱膨張と熱収縮を測定するとヒステリシスが必ず現れるのか、というとそうではない。例えばＳｉＣ。６ＨＳｉＣは結晶系が異方性なのでa軸とｃ軸の線膨張率が異なる。この単結晶の線膨張率を２０００℃まで計測してもそれぞれの軸にヒステリシスは観察されない。
それは、６HSiCの膨張と収縮が化学結合の膨張と収縮の結果であり、その構造からシミュレーションした値と実測値がうまく適合する。また、６HSiCから製造した焼結体の線膨張率については、結晶で計測された値の平均値として観察される。
ただし、これは、助剤としてBを０．２％、Cを２％用いたときの実験結果である。助剤がかわり粒界にガラス相が形成されると線膨張率にその影響が観察される。セラミックスでは熱膨張や熱収縮は大変分かりやすい現象である。
しかし高分子の熱膨張や熱収縮では、自由体積の影響、結晶化度の影響、アモルファス相が均一になっていない影響など複雑である。ゆえに樹脂の熱膨張や熱収縮ではわずかなヒステリシスが観察されたりする。高分子複合材料系になればもっと複雑な変化となる。
TMAはこれら複雑な変化を検出する実験装置であり、最近は熱膨張や熱収縮を実験できるだけでなく粘弾性の実験もできるように工夫した装置も発売されている。高分子材料の開発を行う場合には是非１台揃えておきたい装置である。
樹脂の熱膨張や熱収縮によるヒステリシスに時間のファクターが含まれていることは昇温速度を変えた実験を行いある程度理解することができる。この影響は熱衝撃による疲労に現れる。長時間熱衝撃の存在する環境で樹脂を使用していると変形やひび割れなどが成形体に現れる。微粒子分散系では靱性が下がるので破壊という結果になる。TMAを使い、これらの予測技術を開発することもできる。
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樹脂の微粒子分散系における熱膨張あるいは熱収縮では、微粒子の形成するクラスターの安定性がヒステリシスに影響を与える。樹脂中で微粒子が安定に分散していないときには、Ｔｇ以下でも微粒子のクラスターは変化する。ゆえにこの場合のヒステリシスには再現性が乏しい場合がある。
すなわちヒステリシスが射出成型条件などによりばらつくだけでなく、成形品の熱履歴によってもヒステリシスが変化する。そしてその変化が非可逆だったりする。このような場合にアニールを行うとヒステリシスは小さくなり安定化する。アニールには、Ｔｇ以下で処理する場合とＴｇ以上で処理する場合がある。
通常の教科書にはＴｇ以下の処理が書かれているが、Ｔｇ以上でもアニール処理は可能である。但しＴｇ以上のアニールでは成形品の変形が生じない条件を選択する必要がある。すなわち高温短時間処理となる。Ｔｇが９０℃前後までの樹脂の場合には、９５℃程度のお湯に短時間つけるだけでＴｇ以下長時間アニールと同等の効果が得られる。
お湯を使用する理由は成形体へ均一に温度をかけるためである。成形体に温度が不均一にかかるとすぐに変形する。温度は強度因子であることを忘れてはいけない。
このアニール処理では高分子が緩和するために歪みがとれるわけであるが、高分子の種類によっては、Ｔｇ以下のアニールとＴｇ以上のアニールでマトリックスの高次構造が異なる場合がある。すなわち高次構造を検出可能であれば、どのような温度でアニールを行ったのかおおよその検出が可能である。
アニール以外に微粒子の分散を安定化させるには、コンパウンド段階で微粒子の分散安定化を試みることは重要で、Ｌ／Ｄの可能な限り長い二軸混練機で２０分以上混練する必要がある。高分子により３０分以上必要になるかもしれない。実際には、このような長い時間二軸混練機の中に樹脂を滞留させることは不可能なので弊社で開発されたカオス混合装置を用いるとよい。５００ｋｇ／ｈ前後まで対応可能な装置を開発中である。
このカオス混合装置は二軸混練機の先に取り付けるだけでよく、ウトラッキーの開発した伸張流動装置に似ているが、ウトラッキーの装置のように吐出量を多くすると実用性のない大きさになる欠点を解決した。また５年前開発された装置ともデザインが異なる新作である。
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樹脂の熱膨張あるいは熱収縮は、熱機械分析装置（ＴＭＡ）で求める。Ｔｇまでの熱膨張と熱収縮であればヒステリシス（注）は、現れないはずであるが、大きなヒステリシスが観察されることがある。昨日例示したポリオレフィン樹脂ではその大きさが射出成型条件に依存する。
樹脂に微粒子を分散した場合にも大きなヒステリシスが観察されることがある。この場合に、樹脂単体のヒステリシスと微粒子を分散した場合のヒステリシスを比較すると、微粒子の添加量によってもその大きさが変化する様子を観察することが可能である。
この樹脂のヒステリシスの大きさが問題になるのは、物性の異なる材料とマクロ複合化して製品を組み立てる場合である。この時昇温時の線膨張率を基に設計すると失敗する。ヒステリシスを考慮していないために熱収縮歪みが大きくなったときに材料は破壊する。
ヒートサイクルが繰り返される用途にこのような材料を用いるときにＴＭＡデータは不可欠である。ある装置メーカーにＴＭＡの売り上げが落ちていることを聞いた。ＴＧＡやＤＳＣに比較してＴＭＡはその重要性が分からないと導入されないらしい。
しかし材料開発を行うときに線膨張率は重要な因子の一つで、その測定は欠かせないはずである。また、Ｔｇについては、ＤＳＣ測定でうまく現れないときにＴＭＡでは必ず観察されるのでＤＳＣとＴＭＡの両者のＴｇ評価は必要になる。また両者のＴｇの違いを考察することも重要である。
高分子のＴｇについては、まだ解明されていない部分が残っている。熱膨張と熱収縮の測定目的だけで無く、ＤＳＣで計測されたＴｇと比較する目的でもＴＭＡは重要である。
（注）ある状態が現在加えられている力だけでなく、過去に加えられた力に依存して変化する事。履歴効果。
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昨日Ｔｇ以上の温度領域でＴＭＡの曲線がグニャグニャ曲がる樹脂について書いた。この樹脂は単一組成にもかかわらず射出成形条件が異なると様々な高次構造を形成した成形体が得られる。すなわち、Ｔｇ以上でＴＭＡ曲線がグニャグニャ曲がるのは、収縮する構造がその中に存在するためである。この仮説はＴｇ以上で収縮するだけの成形体も稀にできることからも支持された。
収縮する構造と膨張する構造が存在すると両者の差分がＴＭＡ曲線に現れる。グニャグニャ曲がる曲線になるのは、膨張した構造の一部が収縮する構造に変わったり、収縮していた構造が膨張する構造に変わるためと推定される。そして後者の可能性は少ないことも他の実験で分かってきた。
ＴＭＡの奇妙な挙動を解析するために、様々な熱分析を試みた。主に粘弾性装置を用いて実験をしたのだが、何と非晶性樹脂とカタログに書かれていたのに結晶化することも発見した。この非晶性樹脂の結晶化については、３通りの実験で確認した。２つは熱分析だが他の一つは溶媒に溶解し１ケ月以上ドラフトの中に放置して乾燥した樹脂を用いてＸ線回折実験を行い、結晶相の生成を確認した。
樹脂メーカーに情報を流しても材料の改良はして頂けなかった。すでに開発テーマではなく事業テーマだから、というのがその理由である。要するに現在の樹脂に不満のあるお客は買わなくても良い、という姿勢だ。
光学用樹脂の市場ではポリオレフィン樹脂が主流だが、お客にとって必ずしも満足な設計が成されているわけではない。代替え可能な他の樹脂が無いために使用されているのだ。ポリオレフィン樹脂の特徴は吸湿性が低い点で、湿度に対して光学性能が安定している。
ポリアクリロニトリルには吸湿性が、ポリカーボネートには結晶性の問題や複屈折の欠点があり、ポリオレフィン樹脂より劣っている位置づけにされている。ミドリムシプラスチックは、セルロース系に近い物性が期待でき、射出成形も可能なので新しい光学樹脂としての期待がある。
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単一組成のポリオレフィン樹脂で経験した事例。その物性ゆえに品質問題が関係するのでメーカー名を記載しないが、いやな思い出のある材料である。すなわち物性に問題有りとしてメーカーに苦情を言っても改善されなかったためである。
その樹脂はＴｇを高めるためにバルキーな側鎖基を有しており、光学用樹脂として販売されている。単一組成であるにもかかわらず射出成型条件により様々な高次構造が現れる。このことから単一組成というスペックが怪しくなるが、カタログに書かれていたので、とりあえず単一組成として信じてみた。
このＴＭＡを測定すると、Ｔｇ近辺までは通常の樹脂と同じ曲線を描くが、Ｔｇを越えた温度領域でグニャグニャ変化した複雑な曲線を描く。そしてその曲線の形状が射出成型条件で大きく変化するのだ。極端に変化した場合には見かけのＴｇが上がった、あるいは下がったような曲線になる。カタログに記載されたＴｇは、温度が高い領域のＴｇが記載されている。
曲線の形状はともかくも、このＴｇが射出成型条件により変動する点が気持ち悪い樹脂である。１３＊℃という温度が記載されているが、低い場合もある。これは材料の耐熱性の品質に影響する。すなわち１３０℃近辺まで大丈夫な材料として設計すると、射出成型条件が変化したときに低いＴｇの材料ができ、耐熱性が低下する問題を引き起こす。
実際の開発体験では、ある波長の光をあてて耐久性を計測していたときに問題が起きた。まったく耐久性がないのである。光であたかも樹脂が緩和しているような現象が観察された。しかし、メーカーはその問題を認めない。認めないからその樹脂を用いた開発を失敗することになったのだが、別の部署に異動したときに、またその樹脂に出会った。
ここでは書きにくい品質問題が起きていたのだが、技術の観点で原因は同じであった。しかし、単一組成であるにもかかわらず、射出成型条件で様々な高次構造が現れる問題は現代の高分子科学の世界ではうまく説明することができない。しかし技術としてこの現象を捉えることができる。
すなわちこの樹脂を用いた製品で発生する品質問題である。品質問題を解決するためにピンポイントの条件で、ＴＭＡ測定時にＴｇ経過後グニャグニャ変化した曲線にならない成形体を作成し、耐久性なり、耐熱性を評価すると少し良好な結果になる。ただ、これは実用的には困難な作業で、現場では品質問題となる。そしてその問題の現象は多成分多組成の材料と考えなければ解決できない問題である。
異動後に他の用途で同じ樹脂に出会ったが、触らぬ神にたたり無し、という考え方でテーマとして扱うことをやめた。問題に遭遇し、解決できない問題と分かっているときには、何もしない、という判断も時には重要である。ただ樹脂供給メーカーにはその問題を解決する責任があり、それができないのは誠実さに欠ける、と言われても仕方がない。外から見る限りは立派な会社だが－－－・。
やや抽象的な話となったが、これは退職して３年で、まだ具体的に書けない部分が多いためである。
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材料の熱膨張あるいは熱収縮は、熱機械分析装置（TMA）で試験を行う。セラミックスやガラス、金属については昔から低熱膨張材料というのは重要な研究テーマであった。理由はこれらの材料が８００℃以上の高温度で加工され、室温の環境条件で使用するケースがあり熱歪みが力学物性に大きく影響を与えるためである。
また無機材料ではガラスを除き結晶が分散した構造となり、結晶が異方性の場合にはその界面に大きな熱歪みを抱え靱性が低下する。原料の微細化やその管理技術が進んでもお茶碗などの陶器が割れやすいのはそのためである。
さて、高分子材料の場合には加工温度と使用環境との温度差はせいぜい３００℃未満であるのでこのような熱歪みの影響は小さくなるが、概して線膨張率が大きいのでその影響は存在する。さらに微粒子分散系であればクラスター形成がその影響を大きくする。
一般に熱歪みを除去するためにアニールが行われる。５０年前瀬戸物は割れやすいから一度１００℃のお湯で一日処理して使用すると良い(注）、と母から教えられたが、これもアニール処理である。高分子ではTgから５－１０℃低い温度でアニールを行うと効果的である、と言われている。
高温度短時間処理、という裏技もあるが、この裏技とTg以下のアニールでは、アニール後の高分子の高次構造に違いが出る。以下はすべてTg以下のアニールを前提に話を進める。
樹脂のアニールで成形時の熱歪みは緩和されるが、微粒子分散系では十分にアニール効果が現れないことが多い。理由はクラスターの形成状態による歪みまで除去できないからだ。このクラスターの形成状態は、コンパウンドの製造方法と成型加工プロセスの影響を受ける。
樹脂のコンパウンディングでは二軸混練機が使用される場合が多く、微粒子分散系は不完全な分散状態でコンパウンドとして提供されている。どの程度不完全かは、３時間以上混練したコンパウンドと比較すれば理解できる。（続く）
（注）昔は各家庭に火鉢や練炭のコンロがあり、そこで終日加熱する作業ができた。今ではエネルギーコストがお茶碗の値段よりも高いのであまり行われなくなったが。
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STAP細胞の騒動について理研の調査報告では、小保方さん一人の論文捏造という結論になっていた。理研が示した２点の写真の扱いは、捏造と言われても仕方がないというよりも訓練された研究者の作業内容という観点では捏造そのものである。生データを大きく変貌させて加工する作業の意味が捏造だからだ。
博士の学位を持ちプロジェクトのリーダーの立場ではその責任を問われて当たり前の事件だった。当方はこの理研の発表よりも新聞などで報じられていた研究ノートの管理のずさんさにあきれている。およそ一人前の研究者として恥ずかしい状況である。
企業でも研究開発部隊では記録としての研究ノートの書き方を指導する。当方は研究ノートのみならず週報や月報も所定の形式を配布し、その形式にデータや報告内容をまとめるように指導してきた。
進捗管理の目的が半分あったのだが、当方の用意した形式でまとめれば、技術開発における日々の重要ポイントを担当者が意識することができるようになり、報告書の形式により日常の作業を通じ技術開発の方法を学ぶことができるからだ。
研究開発を担当している人たちは大卒以上の学歴を有する人が多いが、その様な人たちでも科学的訓練は受けているが、技術開発の訓練を受けていないため業務の進め方は下手である。また、まるでだめな人もいる。野放しにすると業務に関係ない研究をする人までいる。
かつて「石部謙吉」という名前を親から何度も聞かされた。自分の意見に固執して他人の意見を聞こうとしない石頭の人のことだが、かつて部下にその様な人がいた。何度言っても自説を曲げず、仕方が無いから半年自由にさせて当方で開発をその人の業務まで進めたところ、開発が終了したときに「あなたの出された方針以外で絶対にできないのか確認していた。確かにそうであった。」と報告してきた。
さすがに呆れたが、週報月報も当方の形式で書き、研究ノートも几帳面につけていた。週報会では、毎回それでは失敗する、と指導しても、「失敗するというデータが無い以上データを揃えるべきだ。」と、頑固として自分の意見を通していた。彼の研究ノートは否定証明の論理できれいにまとめ上げられており、そのノートから科学教育の弊害を学んだ。
研究ノートとは単なるメモと異なり、研究をどのように進めたのか、あるいはどのような考え方で実行していたのかを後から反省するために重要な記録である。弊社の提供する研究開発必勝法ではK0チャートとK1チャートでそれらを明確に表現する。
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上海に来ているが、すでに新聞情報にあるように大気はかなり汚染されている。７年前に上海の夜景を撮った写真では、空気がまだきれいだったので函館や神戸の夜景に負けないきれいな風景だった。
今回同じ場所から夜景の撮影を試みたが、見えない！高いお金を払って高い場所まできたが、ガスの合間から漏れてくる灯りを探るような状態である。７年前は入り口で天気が悪いから展望台に上れません、と言われたものだ。
マスクを滞在分持ってきたが、鼻の穴近辺はすぐに汚れるので一日に２回程度交換したくなる。マスクをしていても鼻毛の伸びる速度は速い。
鼻毛についてはゴム会社で高純度ＳｉＣの開発を担当するまで切ったことが無かった。鼻毛が伸びて困る、というのはその昔鼻毛の歌で知ったぐらいであった。しかし、超微粒子の研究開発を担当してから、１週間に一度鼻毛を切らなければいけない体になった。２週間切らずにいるとダメオヤジと同じようにみっともない姿になる。
人間の体はうまくできており、環境変化に対してうまく順応する。ＰＭ２．５をシャットアウトする、とマスクの広告には書いてあったが、鼻毛の伸びる速度から推定すると、１００％シャットアウトできない誇大広告のマスクと思われる。
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