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固液界面ナノバブル周辺の分子間力分布計測を基盤とする新たな界面工学への挑戦

Research Project

Project/Area Number 18J11880
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Thermal engineering
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

手嶋 秀彰  九州大学, 工学府, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords界面ナノバブル / マイクロパンケーキ / 吸着気体分子層 / 水和構造 / ピニング / 固液界面 / ナノバブル / FM-AFM / 分子間力 / 濡れ性
Outline of Annual Research Achievements

本年度は昨年度に引き続き、従来の方式よりはるかに高感度な周波数変調型原子間力顕微鏡(FM-AFM)を用いて高配向性グラファイト(HOPG)-純水界面に存在する気相の高分解能イメージングを行った。探針の濡れ性や振動振幅を最適化することで、マイクロパンケーキと呼ばれる数 nmの均一な厚みを持つ気相に加えて、従来の計測手法では観察できなかった気体分子の吸着層を観察することができた。また、気体分子の吸着層には基板表面の結晶構造に影響を受けて整列する整列層とその上を覆うように存在する非整列層の2種類が存在することが明らかになった。非整列層の上に現れたマイクロパンケーキは探針の動きに沿って移動するが、その可動性は非整列層の縁で制限されることがわかった。この結果は、吸着気体分子層がHOPG表面にナノスケールの凹凸を作ることでピニングを引き起こし、現行の安定性理論の鍵であるにも関わらず未だ全く解明されていない界面ナノバブルの強いピニングの起源となり得ることを示す重要な知見である。
並行して、微小振動するAFM探針をz・x方向に走査した際の共振周波数の変化を記録する分子間力分布計測を行うことで、固液界面近傍の2次元周波数シフトカーブを得た。吸着気体分子層がない界面では水和構造(固体表面近傍にのみ現れる水分子密度が垂直方向へ周期的に変化する構造)の水分子密度に由来する周波数シフトが観察された一方、吸着気体分子層がある場合はその気体分子密度に由来する周波数シフトが観察された。得られた周波数シフトカーブを比較した結果、吸着気体分子層の各層は水和構造内の水分子が疎な領域に位置し、水分子が密な領域(水和層)に挟まれるように存在していることが示唆された。これらの研究成果は界面ナノバブルの物理のみならず疎水性相互作用に代表されるナノスケールの界面現象の根本的理解に資すると考えられる。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Int'l Joint Research] ウォータールー大学(カナダ)

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Adsorbed gas layers limit the mobility of micropancakes2019

    • Author(s)
      Teshima Hideaki、Takata Yasuyuki、Takahashi Koji
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 115 Issue: 7 Pages: 071603-071603

    • DOI

      10.1063/1.5113810

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] INFLUENCE OF SURFACE WETTABILITY AND NANOSTRUCTURE ON THE GENERATION OF INTERFACIAL NANOBUBBLES2018

    • Author(s)
      Teshima Hideaki、Nishiyama Takashi、Takata Yasuyuki、Takahashi Koji
    • Journal Title

      Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference

      Volume: 19 Pages: 6909-6914

    • DOI

      10.1615/ihtc16.nmt.022210

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 固液界面ナノバブルの実験について2018

    • Author(s)
      高橋 厚史、手嶋 秀彰
    • Journal Title

      伝熱

      Volume: 57 Pages: 11-19

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Presentation] Experimental Study on Adsorbed Gas Layers by Using Frequency Modulation Atomic Force Microscopy2020

    • Author(s)
      Hideaki Teshima
    • Organizer
      Thermal Issues for Hydrogen and New Refrigerants for Energy Systems-Hydrogenius and I2CNER Joint Research Symposium
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental Study on Adsorbed Gas Molecules at the Graphite-Water Interface2019

    • Author(s)
      Hideaki Teshima、Yasuyuki Takata、Koji Takahashi
    • Organizer
      17th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mobility of micropancakes on adsorbed gas layers2019

    • Author(s)
      Hideaki Teshima、Naoto Nakamura、Yasuyuki Takata、Koji Takahashi
    • Organizer
      The Second Pacific Rim Thermal Engineering Conference
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Generation of Interfacial Nanobubbles Controlled by Surface Wettability2018

    • Author(s)
      Hideaki Teshima, Takashi Nishiyama, Yasuyuki Takata, Koji Takahashi
    • Organizer
      12th MicronanoSystem Workshop
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Influence of Surface Wettability and Nanostructure on The Generation of Interfacial Nanobubbles2018

    • Author(s)
      Hideaki Teshima, Takashi Nishiyama, Yasuyuki Takata, Koji Takahashi
    • Organizer
      The 16th International Heat Transfer Conference
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Disordered Gas Domain on Ordered Gas Layer2018

    • Author(s)
      Hideaki Teshima, Koji Takahashi
    • Organizer
      NANOBUBBLE 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 親水ー撥水複合面が固液界面ナノバブルの生成に与える影響2018

    • Author(s)
      手嶋 秀彰、西山 貴史、高田 保之、高橋 厚史
    • Organizer
      第55回日本伝熱シンポジウム
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] AFMプローブの濡れ性に依存する界面ナノバブル計測の信頼性2018

    • Author(s)
      手嶋 秀彰、西山 貴史、高田 保之、高橋 厚史
    • Organizer
      混相流シンポジウム 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 液中周波数変調AFMによるグラファイト表面に吸着した気体分子の測定2018

    • Author(s)
      手嶋 秀彰、中村 直斗、高田 保之、高橋 厚史
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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