Experimental Study of Solid-Liquid Interface at the Nanoscale
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20H02089
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
高橋 厚史 九州大学, 工学研究院, 教授 (10243924)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
李 秦宜 九州大学, 工学研究院, 准教授 (60792041)
生田 竜也 九州大学, 工学研究院, 技術専門職員 (70532331)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | ナノマイクロ熱工学 / TEM / AFM / ナノバブル / グラフェン / 固液界面 / 原子間力顕微鏡 / 透過電子顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
固液界面での水の安定構造と固気液三相界線の動特性を、固体面から数ナノメートルオーダーの領域において解明する。特に、理論的研究で解決できていない空気分子や不純物および固体表面の不完全性の影響について実験的に調べる。それによって応用製品へと繋がる知見を得ることを目指している。ただし、水をナノスケールで観察することは非常に困難であって万能な手法は存在しない。そこで、原子間力顕微鏡(AFM)と透過電子顕微鏡(TEM)の両方の結果を比較できる系としてグラフェンを活用した実験手法を開発するとともに、それ以外のグラフェンの応用についても研究する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
固液界面での水の安定構造と固気液三相界線の動特性を固体面から数ナノメートルオーダーの領域において解明する。特に、理論的研究で解決できていない吸着気体分子や不純物および固体表面の不完全性の影響について、原子間力顕微鏡(AFM)と透過電子顕微鏡(TEM)を併用して実験的に探求する。最終的には応用製品へと繋がるような体系的知見を得ることを目指している。今年度は、TEMホルダーにDENS solutionsのWildfire Chipを装着し、試料を1000度Cまで加熱する実験系を構築した。これを用いて、グラフェン同士で挟まれた厚さ10nm程度の水（グラフェンウォーターポケット(GWP)）を300度Cまで加熱したところ蒸気泡の生成は起こらず、電子線照射で生成した水素気泡についても膨張する様子はほとんど見られなかった。このことからGWP内は高圧状態になっていることが推定されたが、サイズがミクロンオーダーであることから圧力計測は容易でなく、今後の重要な検討課題となった。一方、常温でこの水素気泡にあえて外力を加えて動的挙動をTEM観察することで、固気液三相界線（接触線）をナノスケール観察し、ピニングに関する新しい知見を得ることができた。具体的には、マクロスケールで考えられている固体面に接触した三相接触線以外にも、数nm程度の液膜が保持された「接触しない」接触線があるという実験結果であった。また、AFMを用いたナノバブルの加熱実験で得られた特異な気泡形状については、マイクロパンケーキがナノバブルへ気体分子を供給しているというモデルで説明することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マニピュレータの故障と新型コロナウイルスの影響により研究費と研究計画の一部繰越を行ったが、当初予定していた固液界面の摂氏70度程度まで加熱した場合のナノバブルの形状変化の考察は順調に進み、TEMホルダーを改造して高温のTEM観察を行える実験環境についても構築することができたから。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は水に関して高温のTEM観察を重点的に行うことを計画している。それによって、相変化熱伝達の未踏領域に手が届くものと期待している。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
