新規熱輸送デバイスの創出に繋がるグラフェン液体セルを用いたナノスケール相変化実験
| Project/Area Number |
22KJ2400
|
|---|
| Project/Area Number (Other) |
21J21976 (2021-2022)
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
|
| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
|---|
| Section | 国内 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
廣川 颯汰 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
| Budget Amount *help |
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
|
|---|
| Keywords | グラフェン液体セル / 圧力 / 三次元形状 / ピニング / 固気液三相界線 / ナノフルイディクス |
|---|
| Outline of Research at the Start |
ナノスケール空間に封入された液体は，固体面との相互作用の影響が大きくなるため，マクロスケールと異なる特異な挙動を見せる．この特異な挙動とナノ材料を組み合わせることで流体機器の性能を向上させることが期待されており，特に高い除熱性能を誇る相変化冷却デバイスをナノ流路を用いて小型化することは，電子機器の高発熱密度化への対応策として注目されている．実現のためにはナノスケール空間内部での流動及び沸騰現象を理解する必要があるが，実験的知見の不足が課題である．本研究では最も薄い材料であるグラフェンの間に液体を封入し，その流動や沸騰の様子を高い空間・時間分解能で観察することで新しい熱制御技術の創出を目指す．
|
| Outline of Annual Research Achievements |
ナノスケールの流路を持つ相変化伝熱デバイスの実現のためには，体積力が支配するバルクの流れとは異なり表面力が支配する微小流体の特異性を理解することが不可欠である．当研究では2枚のグラフェン間に微量の純水を封入した「グラフェン液体セル」を透過型電子顕微鏡（TEM）で直接観察することで，微小流体の物理を明らかにしてきた。令和4年度は，グラフェン液体セルの三次元形状と内部圧力を原子間力顕微鏡を用いて調査した。三次元形状の測定ではグラフェン液体セルの厚みとTEM観察で可視化される投影面の面積の関係を調べた。液体セルが他の液体セルと接続している場合は厚みと面積が比例して大きくなるものの，独立して存在する液体セルにはこのような相関が認められなかった。更に内部圧力も液体セルの三次元形状によらずランダムな値を取ることが明らかになった。これは，グラフェン液体セルの圧力はその形状によって一意に定まる，という先行研究が理論的に示した結果を否定するものである。機械的にグラフェン液体セルの形状と圧力を測定し，まとまった数の測定結果を示した研究は本研究が初めてであり，今後のグラフェン液体セルを用いた研究に有益な情報を提供できたと言えるだろう。更に，本圧力計測のために新たに考案したグラフェン液体セルを固体基板上に作成する方法をMEMSチップ上への作成へと応用することで，電圧の印加や加熱などの刺激を微小液体に加えながらTEM観察することが可能になることを確認した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請時の研究ロードマップに示した「グラフェン液体セルの形状と厚みの関係式」作成のため，新たな試料作成方法を考案し，三次元形状の測定を無事に終えた。加えて，当初の計画にはなかったものの今後の実験において重要である内部圧力の計算を追加して行った。これらの成果は本研究が取り組む「ナノ空間に封入された液体の相変化の理解」において重要なデータである。
|
| Strategy for Future Research Activity |
実際の応用に近いスケールである数10nmほどの空間に封入された液体を観察するために昨年度末から進めていたスペーサーを挟んだ井戸型のグラフェン液体セルの作成に目処が立ちつつある。最終年度である令和5年度はこの井戸型グラフェン液体セルを用いてナノ空間内部の液体を加熱しながらその場観察し，ナノスケールへの封入が与える気液相変化への影響を評価する。
|
Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
