| Project/Area Number |
23K21052
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| Project/Area Number (Other) |
21H01683 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
Suzuki Masanori 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20610728)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
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| Keywords | 溶融スラグ / 表面張力 / 表面イオン構造緩和 / 配位構造 / 連結構造 / 推算モデル / 表面イオン構造 / 表面緩和 / マランゴニ流 / 軟X線吸収分光 / Polarization ion model / 表面活性成分 / 表面過剰エネルギー / 架橋酸素イオン / Polarizable Ion Model / 斜入射X線広角散乱 |
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| Outline of Research at the Start |
溶融酸化物の表面張力は、金属製錬の操業安定性やガラス製造プロセスの品質精度を左右し、宇宙空間など微小重力下では物質流動の支配要素となる。表面張力は一般に、表面で原子間の結合が一部満たされていない状態に起因した過剰エネルギーと解釈されるが、溶融酸化物の表面では過剰エネルギーを下げようとしてイオン配位構造の緩和が生じ、表面張力に多大な影響を及ぼす。しかし、表面イオン構造緩和の実態は未解明であり、表面張力を正確に予測できない。
本研究では、溶融酸化物の表面におけるイオン配位構造の具体的な緩和形態を明らかにするとともに、構造緩和が表面張力へ及ぼす影響度合を定量評価し、表面張力の新たな予測式を構築する。
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| Outline of Final Research Achievements |
Surface tension of molten slag is an important property that mainly controls materials processing involving high temperature melts, although it cannot be accurately estimated. In this study, the relaxation mechanism of surface ionic structure, which determines surface tension of molten oxides, has been qualified. As a result, the preferential distribution of bridging oxygen ions in the surface region, which forms a strong covalent bond with cations and thus significantly decreases surface excess energy, has been found to be main mechanism of surface relaxation in molten oxides.
Additionally, a new physical model to estimate surface tension of molten oxides has been developed. By taking account of the above surface relaxation mechanism, the model successfully reproduced the complex composition dependence of surface tension, such as minimum at an intermediate composition.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
溶融スラグのようなイオン性融体においては、大きな表面過剰エネルギーを減少させるための表面構造緩和が表面張力の決定因子となることは以前から指摘されていたが、その実態が不明であり、純酸化物の表面張力でさえ予測が困難であった。本研究によって、溶融スラグにおける表面構造緩和の支配的な機構を明らかにするだけでなく、各機構による表面過剰エネルギーの減少量を定量的に評価できた。この知見は、学術的には溶融スラグの表面張力を正確に再現する新たな推算モデルの構築に繋がり、社会的には高温液体を扱う素材製造プロセスの最適化、さらには、月面や宇宙における金属創製プロセスの新たな設計手法の開発へも繋がる。
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