マテリアル分析評価法

Materials Analysis and Characterization

9982205

82MMMMS304

秋山　好嗣

Yoshitsugu Akiyama

2024年度後期

2024/Second semester　

金曜4限

Fri. 14:30-16:00

先進工学部　マテリアル創成工学科

Department of Materials Science and Technology, Faculty of Advanced Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

材料の構造を分析評価し、物質構造と材料特性との関連を明らかにすることは新規なマテリアルの創出において重要である。本講義では、材料の構造・特性を解析するために求められる様々な分析手法の習得および多用な分野に適応させる応用力を養う。

In this course, students will analyze and evaluate the structure of materials and clarify the relationship between material structure and material properties, which is important for the creation of new materials. Also, students will learn various analytical methods required to analyze the structure and properties of materials and develop the ability to apply these methods to broad areas.

本科目はカリキュラムポリシーにおける専門家としての能力を養うための「専門科目　材料科学系選択科目」の一つである。

This course is one of the "Specialty Subjects: Elective Courses in Materials Science" to cultivate professional skills in the curriculum policy.

本授業の受講により、下記「授業計画」の各項目について充分な説明ができるようになる。

Students will be able to fully explain the following course plans from this class.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

1. 学部で学ぶ化学・物理・生物の知識を有しておくこが望ましい。
2. 必要な講義資料は随時LETUSにアップロードするので各自で確認しておくこと。

1. Students should have acquired knowledge of chemistry, physics, and biology from their undergraduate studies.
2. Lecture materials will be uploaded to LETUS as needed.

課題に対する作文　Essay／小テストの実施　Quiz type test／グループワーク　Group work

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（準備学習）
配布プリント（PDF）の各回の該当箇所を事前に読んでおくこと【120分】。
（復習）
各回の講義内容を十分に復習し，到達目標に示した事柄について回答できるようにしておくこと【120分】。詳細は「授業計画」を参照すること。

(Preparation)
Students should read the relevant sections of the handout (PDF) for each session in advance.【120 min.】
(Review)
Students are expected to review the contents of each lecture and be able to answer the questions indicated in the achievement objectives.【120 min.】
Refer to the "Class Plan" for details.

到達目標に関する小テスト3回（90点）およびレポート（10点）にて評価する（合計100点）

This lecture will be evaluated comprehensively based on the  four achievement quizzes for performance grading policy.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

講義内で随時お知らせします。

Reference books and materials required for lectures will be provided as needed during the lecture.

1. ガイダンス　

2. 顕微鏡観察
光学顕微鏡および電子顕微鏡による顕微鏡観察法を理解できる。
Keyword：フラウンホファー回折，レーリーの解像限界，スパーローの解像限界，焦点震度，透過型電子顕微鏡(TEM，transmission electron microscope)，走査型電子顕微鏡(SEM，scanning electron microsope)，走査型プローブ顕微鏡(scanning probe microscope), 共焦点レーザー顕微鏡（confocal microscopy），原子間力顕微鏡（atomic force microscopy）

3. 濡れ分析
　基板表面における濡れ現象を用いた物性評価を理解できる。
Keyword：接触角，自由エネルギー，表面張力，分散力，Youngの式，ペンダント・ドロップ法，プレート法，リング法

4. 表面プラズモン共鳴法（SPR）
　特定の角度の入射光と表面プラズモンが金属／液体界面で起こす共鳴現象を用いた分子間相互解析について理解できる。
Keyword:分子間相互作用，結合定数，解離速度定数，センサーチップ

5. 吸光光度法と蛍光光度法
　分子分光学の基本原理である状態間遷移および吸光光度法と蛍光光度法について理解できる。
Keyword：ランベルト-ベール則，基底状態，励起状態，一重項状態，三重項状態，振動緩和，内部転換，項間交差，蛍光，リン光
（参考：アトキンス 物理化学(下) 第II部　構造　17. 分光学2：電子遷移）

6. 原子吸光分析
　原子状態の元素(主として金属元素)の吸光または発光である原子スペクトルを利用した分析方法を理解できる。
Keyword：原子吸光，線スペクトル，マックスウェル-ボルツマン分布

7. 膜厚計測
　家電製品や自動車など、身の回りの塗装されたマテリアルの膜厚を測定する分析手法の種類と原理を理解できる。
Keyword:分光干渉式膜厚測定，電磁式膜厚，過電流式膜厚，赤外線膜厚，超音波膜厚

8. 核磁気共鳴法(NMR)
　原子核の核スピンに基づく，磁気モーメントが示す共鳴現象である核磁気共鳴を利用した分析方法を理解できる。
Keyword：核磁気共鳴(NMR，nuclear magnetic resonance)，核スピン，ケミカルシフト，スピン-スピン結合
（参考：アトキンス 物理化学(下) 第II部　構造　18. 分光学3：磁気共鳴）

9. クロマトグラフィ
分析では物質をその構成成分に分けて，それぞれの構成成分の認識から物質の全体像を導き出す。混合物を個々の成分に分離する方法であるクロマトグラフィについて理解できる。
Keyword：固定相，移動相，分配係数，理論段数，理論段高さ，ガスクロマトグラフィ，高速液体クロマトグラフィ(HPLC，high performance liquid chromatography)

10. X線分析
　X線を利用するX線回折分析，蛍光X線分析などの分析方法を理解できる。
Keyword：X線回折分析(XRD，X-ray diffraction)，蛍光X線分析(XRF，X-ray fluorescent)，X線吸収微細構造(XAFS，X-ray absorption fine structure)，X線吸収端構造(XANES，X-ray absorption near-edge structure)，X線吸収端微細構造(EXAFS，extended X-ray absorption near-edge structure)，X線マイクロアナリシス(XMA，X-ray microanalysis)

11. 粒径分布・表面電位
　分散状態にあるコロイド粒子の平均粒径や電位測定に必須の測定原理を理解できる。
Keyword：動的・静的光散乱，キュムラント解析，ゼータ電位、電気泳動、電気二重層

12. 有機質量分析
　分子あるいは原子をイオン化し，そのイオンを真空中で電磁気学的な相互作用により質量電荷比で分離・検出するマススペクトルを利用した分析方法を理解できる。
Keyword：質量分析法(MS，mass spectrometry)，マススペクトル(mass spectrum)，質量電荷比，フラグメントイオン, マトリックス支援レーザー脱離イオン化法(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization)

13. 表面分析
　試料にX線や紫外線を照射すると，電子が励起され光電子が放出される。この光電子を利用した光電子分光法を理解できる。
Keyword：光電子，特性X線，オージェ電子(AES，Auger electron spectroscopy)，X線光電子分光法(XPS，X-ray photoelectron spectroscopy)，紫外線光電子分光法(UPS，ultraviolet photoelectron spectroscopy)，電子プローブマイクロアナリシス(EPMA，electron probe microanalysis)

14. 熱分析
　物質の温度を一定のプログラムによって変化させながら，その物質の物理的性質を温度または時間の関数として測定する熱分析について理解できる。
Keyword：熱重量測定(TGA，thermogravimetry)，示差熱分析(DTA，differential thermal analysis)，示差走査熱量測定(DSC，differential scanning calorimetry)，熱機械分析(TMA，thermomechanical analysis)

15.習熟度評価
　講義内容の習熟度の評価を行うとともに，総合的な分析評価法の総括を行う

16.まとめ


1. Orientation
(Preparation) Students will review the entire material posted on LETUS.
(Review) Students will review the basic analytical techniques.
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->
<!--[endif]-->2. Microscopic observation
Students will understand microscopic observation methods using optical microscope and electron microscope.
Keyword: Fraunhofer diffraction, Rayleigh's resolution limit, Sparrow's resolution limit, focal intensity, transmission electron microscope (TEM), scanning electron microscope (SEM), scanning electron microsope scanning probe microscope, confocal laser microscopy, atomic force microscopy

3. Wetting analysis
Students can understand the evaluation of physical properties using wetting phenomena on the substrate surface.
Keyword: contact angle, free energy, surface tension, dispersion force, Young's equation, pendant-drop method, plate method, ring method

4. surface plasmon resonance (SPR)
Students will understand the intermolecular analysis using the resonance phenomenon that occurs at the metal/liquid interface between incident light at a specific angle and surface plasmon.
Keyword: Intermolecular interaction, coupling constant, dissociation rate constant, sensor chip

5. Absorption spectrophotometry and fluorescence spectrophotometry
Students will understand the basic principles of molecular spectroscopy: transitions between states, absorbance spectrophotometry, and fluorescence spectrophotometry.
Keyword: Lambert-Beil rule, ground state, excited state, singlet state, triplet state, vibrational relaxation, internal conversion, intersystem crossing, fluorescence, phosphorescence
(Reference: Atkins Physical Chemistry Part II: Structure, 17. Spectroscopy 2: Electronic Transition)

6. atomic absorption spectrometry
Students can understand analytical methods using atomic spectra, which are absorption or emission of elements in atomic state (mainly metallic elements).
Keyword: Atomic absorption, line spectrum, Maxwell-Boltzmann distribution

7. Film thickness measurement
Students can understand the types and principles of analytical methods for measuring film thickness of painted materials around us, such as home appliances and automobiles.
Keyword: spectral interference film thickness measurement, electromagnetic film thickness, overcurrent film thickness, infrared film thickness, ultrasonic film thickness

8. Nuclear magnetic resonance (NMR)
Students can understand the analysis method using nuclear magnetic resonance, which is a resonance phenomenon that is based on the nuclear spin of an atomic nucleus and is indicated by magnetic moments.
Keyword: nuclear magnetic resonance (NMR, nuclear magnetic resonance), nuclear spin, chemical shift, spin-spin coupling
(Reference: Atkins Physical Chemistry Part II: Structure, 18. Spectroscopy 3: Magnetic Resonance)

9. Chromatography
In analysis, a substance is divided into its components, and the overall picture of the substance is derived from the recognition of each component. Understand chromatography, a method for separating a mixture into its individual components.
Keyword: stationary phase, mobile phase, partition coefficient, theoretical number of stages, theoretical stage height, gas chromatography, high performance liquid chromatography (HPLC, high performance liquid chromatography)

10. X-ray analysis
Students can understand analytical methods using X-rays, such as X-ray diffraction analysis and X-ray fluorescence analysis.
Keyword: X-ray diffraction analysis (XRD, X-ray diffraction), X-ray fluorescence analysis (XRF, X-ray fluorescent), X-ray absorption fine structure (XAFS, X-ray absorption fine structure), X-ray absorption near-edge structure (XANES, X-ray absorption near-edge structure) absorption near-edge structure), X-ray absorption near-edge fine structure (EXAFS, extended X-ray absorption near-edge structure), X-ray microanalysis (XMA, X-ray microanalysis)

11. Particle size distribution and surface potential
Students can understand the measurement principles essential for measuring the average particle size and surface potential of colloidal particles in a dispersed state.
Keywords: dynamic and static light scattering, cumulant analysis, zeta potential, electrophoresis, electric double layer

12. Organic Mass Spectrometry
Students can understand analytical methods using mass spectrometry, which ionizes molecules or atoms, and separates and detects the ions by mass-to-charge ratio through electromagnetic interaction in a vacuum.
Keywords: mass spectrometry (MS), mass spectrum, mass-to-charge ratio, fragment ions, matrix-assisted laser desorption/ Ionization)

13. Surface Analysis
When a sample is irradiated with X-rays or ultraviolet rays, electrons are excited and photoelectrons are emitted. Students can understand photoelectron spectroscopy using these photoelectrons.
Keyword: Photoelectron, characteristic X-ray, Auger electron (AES, Auger electron spectroscopy), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, X-ray photoelectron spectroscopy), ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS, ultraviolet photoelectron spectroscopy), electron probe microanalysis (EPMA)

14. Thermal analysis
Students can understand thermal analysis, which measures the physical properties of a material as a function of temperature or time while the temperature of the material is varied by a fixed program.
Keywords: thermogravimetry (TGA), differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC), thermomechanical analysis (TMA) Thermomechanical analysis)

15. Proficiency evaluation
The lectures will be evaluated for proficiency in lecture content and summary of overall analysis results.

16. Summary
(Preparation) Students should review the contents of material analyses.
(Review) Students will summarize the assignments in their notebooks.

国内外研究機関の研究員（ケミカルバイオロジー、ナノバイオマテリアル）の勤務実績を活かして材料分析について講義する。

This Lecture will be given using the experience of researchers at overseas and domestic research institutions.

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