Relaxation of intramolecular vibration of solvents by infrared excitation and clarification of effective infrared absorption wavelength band for solvent drying
| Project/Area Number |
23K22678
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| Project/Area Number (Other) |
22H01407 (2022-2023)
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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 (2022-2023) |
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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 | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
戸谷 剛 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00301937)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 一道 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (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: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
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| Keywords | 分子内振動の緩和 / 溶剤の赤外線吸収帯 / 溶剤乾燥 / 赤外線連続照射 / 気液界面 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、溶剤が吸収する赤外線を溶剤に照射して分子内振動を連続的に励起し、分子内振動が分子間振動へ変化（緩和）する挙動を、赤外線を放射する波長制御エミッタと溶剤での検出光の反射をスペクトル解析するFT-IRを用いて明らかにする。さらに、波長制御エミッタを用いた溶剤の乾燥実験によって、溶剤の蒸発量を求め、溶剤乾燥に効果的な溶剤の赤外線吸収帯を溶剤（水、IPA、トルエン）ごとに解明する。また、得られた緩和挙動を組み込んだ平均場分子運動論解析と分子動力学解析によって得られる境界条件を用いるボルツマン方程式解析を行い、実験結果と比較し、分子内振動の緩和が溶剤乾燥に及ぼす効果を定量的に明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度は、下記の2項目を行った。(2023-1)溶剤(水)の蒸発に最も効果的な分子内振動(赤外線吸収波長帯)の解明実験、(2023-2)緩和挙動を組み込んだ平均場分子運動論解析・分子動力学解析法の開発と溶剤の蒸発量を計算する計算手法の確立
(2023-1)では、計画通り、波長制御エミッタから放射されたふく射をポンプ光として、プローブ光と同じ溶剤の下方から当て、溶剤の分子内振動を励起する実験系を構築した。この実験系でも、反射スペクトルを取得する溶剤表面を、熱伝導で加熱するよりも、波長制御エミッタで加熱した方が、溶剤の表面温度は同じにも関わらず、蒸発につながる分子間振動が促進される緩和挙動が確認された。 しかし、昨年度確認された反射スペクトルの差より小さく、観測しにくかったため、今年度は、実験系を昨年度の系に戻して、実験を行うことにした。波長3.03 μmに単色放射能のピークを持つ波長制御エミッタと波長6.10 μmに単色放射能のピークを持つ波長制御エミッタを用いた加熱実験を、単色放射能のピークが同じになるようにそれぞれ行った結果、蒸発につながる分子間振動の励起には有意な差が出ないことが確認された。
(2023-2)では、昨年度に引き続き平均場分子運動論を用いて温度の異なる二液膜問題について研究を行った。その結果、過去の分子動力学解析結果と同様の傾向で蒸発界面の速度分布関数が非等方性を持つことを確認した。この結果より、本解析の平均場分子運動論への有用性を確認することができた。また、凝縮界面についても，蒸発界面とは異なる傾向で速度分布関数が非等方性を持つことがわかった。さらに、本計算を大規模分子動力学解析で行うための予備調査も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
(2023-1)では、当初計画していた溶剤のうち水については、最も効果的な分子内振動(赤外線吸収波長帯)の実験を行うことができたが、IPAでの蒸発に最も効果的な分子内振動(赤外線吸収波長帯)の実験まで進めなかった。また、当初計画していた(2023-3)波長制御エミッタを用いた溶剤の乾燥実験に進めていない。以上より、(3)やや遅れている、という評価としました。
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| Strategy for Future Research Activity |
(2023-1)で、当初計画した方法で、反射スペクトルの差が小さく観測しにくい現象は、波長制御エミッタがプローブ光を遮らないように、波長制御エミッタを測定面から離す必要があり、形態係数が小さくなり、測定面への放射量が少ないことが原因であると推定された。そこで、波長制御エミッタのサイズを小さくして、測定面に近づけ形態係数を大きくし、測定面への放射量を増やす対策を行い、(2024-1)として、溶剤(水、IPA)の蒸発に最も効果的な分子内振動(赤外線吸収波長帯)の解明実験を、2024年度に継続して行う。また、2023年度実施できなかった(2023-3)についても、2024年度に実行し、蒸発に最も効果的な分子内振動(赤外線吸収波長帯)と乾燥速度への定量的な効果を、溶剤の赤外線吸収帯と同じ波長域で放射する放射制御エミッタを用いた乾燥実験を行い、蒸発量を赤外線吸収帯ごとに比較することで、溶剤(水とIPA)に対して、明らかにする。
(2023-2)に関しては順調に進んでおり、2024年度は、(2024-2)として、これまでの結果を踏まえて、蒸発分子の速度分布関数の非等方性について調査する予定である。この非等方性には、界面近傍の気体分子間衝突が重要な因子であることがわかりつつあるので、このことについてさらなる調査を行う。界面近傍の気体分子衝突頻度を変えるために、液体温度を変更したり、異分子気体を系内に混ぜて解析を行う予定である。さらに、現在の平均場分子運動論解析を多原子分子に拡張することで、多原子分子の内部運動の非平衡性が蒸発流束に及ぼす影響を確認する。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
