固液界面近傍の水分子及びイオンの状態に基づく氷の不均質核生成の理解

Research Project

Project/Area Number	19K21938
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
Research Institution	Tokyo Denki University (2020-2021) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2019)
Principal Investigator	稲田孝明東京電機大学, 工学部, 教授 (60356491)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords	核生成 / 過冷却 / 氷 / 界面 / イオン
Outline of Research at the Start	氷点下で動作する熱機器において、固体表面上で氷が発生する現象（不均質核生成）を制御することは重要な課題である。しかしその現象にはいまだ不明な点が多く、氷の不均質核生成に対する新たな理解が必要となっている。本研究では、固体表面近傍の水分子の状態に基づいて、氷の不均質核生成の理解を深めることを目的とする。具体的には、氷の発生を促進する固体表面の結晶構造や電気的特性を明らかにし、その固体表面上での氷の不均質核生成現象を測定・解析し、固体表面の特性と氷発生の相関を調べることによって、氷の不均質核生成の新しいメカニズムを提唱する。
Outline of Annual Research Achievements	氷点下で動作する熱機器において、固体表面上で氷が発生する現象（不均質核生成）を制御することは重要な課題である。本研究では、固体表面近傍の水分子の状態に基づいて、氷の不均質核生成の理解を深めることを目的とする。具体的には、氷の発生を促進する固体表面の結晶構造や電気的特性を明らかにし、その固体表面上での氷の不均質核生成現象を測定・解析し、固体表面の特性と氷発生の相関を調べることによって、氷の不均質核生成の新しいメカニズムを提唱する。今年度は、氷核活性の高いヨウ化銀（AgI）の単結晶基板の作成を試み、電子顕微鏡観察で評価した。また、AgI基板上での水滴の不均質核生成温度を測定し、単結晶基板の性状との相関を調べた。 AgI粒子及び基板の作成手法としては、AgI飽和溶液中のIイオン濃度を調整しておき、これを徐々に水で希釈することによってAgIを過飽和状態として、AgI単結晶を作成する技術を最適化した。AgI結晶を数日間かけてゆっくり成長させると、明瞭なファセットを有する単結晶を作成でき、モルフォロジーの異なる結晶の回収も可能となった。この手法によって、ベーサル面からなるAgI単結晶基板の生成を実現した。基板表面の電子顕微鏡観察から、渦巻き成長を示す成長丘やステップが観察された。このAgI単結晶基板上に微小水滴（直径10～100μm）を配置し、氷の核生成温度を測定した結果、単結晶基板表面のサブミクロンオーダーの性状に依存せず、ほぼ一様な核生成温度が得られることがわかった。その一方で、基板ごとに核生成温度がばらつくことも確認できた。