Deepening of interfacial fluidics by mutually complemental analysis of nano-laser measurement and coarse-grained model

• Project/Area Number: 26249022
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: Hishida Koichi 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40156592)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 洋平 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00344127) ; 泰岡 顕治 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40306874)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥41,080,000 (Direct Cost: ¥31,600,000、Indirect Cost: ¥9,480,000); Fiscal Year 2017: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2016: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2015: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2014: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
• Keywords: 熱流動相互補完解析法 / 自発ラマン散乱 / エバネッセント波自発ラマンイメージング / 分子動力学シミュレーション / 粗視化モデル / 振動スペクトル / 界面熱流動ダイナミクス / 界面フルイディクス / エバネッセント波自発ラマ ンイメージング

Outline of Final Research Achievements

Non-intrusive measurement technique using evanescent wave illumination and numerical simulation using coarse-grained model were developed in order to investigate dynamics of water molecules and ions in the vicinity of interface between liquid and solid. Experimental efforts revealed that the vibration modes and hydrogen/non-hydrogen bonding of water molecules in the vicinity of interface were significantly affected by hydrophilic/hydrophobic surface and ions. It can be concluded that it may be easy to understand the thermo-fluid dynamics in the vicinity of the interface using the water molecule dynamics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

水分子からのラマン散乱光を取得し，振動モードおよび水素・非水素結合状態を計測可能としたことにより，界面極近傍熱流動現象の非侵襲計測技術の提案を行った点は，学術的にも社会的にも意義がある．更に，エバネッセント波照射による計測結果は，バルク領域とは異なる傾向を示していることから，シミュレーション領域の拡大をもたらす粗視化モデルの構築に貢献することが可能となった．

Research Products

• [Int'l Joint Research] フランス原子力・代替エネルギー庁 (CEA)(フランス)
• [Int'l Joint Research] フランス原子力・代替エネルギー庁(フランス)
• [Journal Article] Two-wavelength Raman imaging for non-intrusive monitoring of transient temperature in microfluidic devices (2014)
  • Author(s): Reiko KURIYAMA, Yohei SATO
  • Journal Title: Measurement Science and Technology Volume: 25 Issue: 9 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1088/0957-0233/25/9/095203
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Spatial measurement of swirling jet of bubbly flow by combined ILIDS and PIV techniques (2018)
  • Author(s): Senoma, K., Sato, Y. & Hishida, K.
  • Organizer: The 19th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Technologies to Fluid Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of ion concentration in electrolyte solutions by total internal reflection Raman spectroscopy (2018)
  • Author(s): Miyajima, T., Baba, T., Yamamoto, E. & Sato, Y.
  • Organizer: The 26th International Conference on Raman Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On investigation of water molecules behavior in the vicinity of liquid-solid interface using TIR Raman (2018)
  • Author(s): Kinoshita, H., Kinoshita, M., Yamamoto, E. & Sato, Y.
  • Organizer: The 26th International Conference on Raman Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温度勾配のかかった系における水分子ダイナミクスの解明 (2018)
  • Author(s): 加藤優佑, 佐藤洋平, 山本詠士
  • Organizer: 第32回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションを用いたアクアポリンにおける水透過性の解明 (2018)
  • Author(s): 塚田拓大, 佐藤洋平, 菱田公一, 安井正人, 山本詠士
  • Organizer: 第32回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] Measurement of two-dimensional temperature distribution in microdevice (2017)
  • Author(s): Mastaka Takechi, Maiko Tanaka & Yohei Sato
  • Organizer: The Sixth International Symposium on Micro and Nano Technology
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県・福岡市)
  • Year and Date: 2017-03-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of hydrophilic/hydrophobic influence on molecular concentration in the vicinity of liquid-solid interface using total internal reflection raman imaging (2017)
  • Author(s): Kinoshita, H., Kinoshita, M. & Sato, Y.
  • Organizer: The Ninth JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二波長ラマンイメージング法による電解質溶液の二次元温度分布計測 (2016)
  • Author(s): 武智政孝, 田中満依子, 山本憲, 佐藤洋平
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2016
  • Place of Presentation: 愛媛大学(愛媛県・松山市)
  • Year and Date: 2016-10-22
• [Presentation] 組込型デバイスEvaChipを用いたマイクロデバイス内のナノ粒子ゼータ電位計測 (2016)
  • Author(s): 宮島昂宏, 渡邉菖平, 佐藤洋平
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2016
  • Place of Presentation: 愛媛大学(愛媛県・松山市)
  • Year and Date: 2016-10-22
• [Presentation] 全反射ラマンイメージングによる固液界面極近傍における親水性・疎水性の分子挙動への影響の評価 (2016)
  • Author(s): 木下晴貴, 木下正治, 湯原大輔, 山本憲, 泰岡顕治, 佐藤洋平, 菱田公一
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2016
  • Place of Presentation: 愛媛大学(愛媛県・松山市)
  • Year and Date: 2016-10-22
• [Presentation] Measurement of molecular diffusion in the vicinity of liquid-solid interface by total internal reflection Raman imaging (2016)
  • Author(s): Masaharu Kinoshita, Tetsuro Tateishi, Reiko Kuriyama & Yohei Sato
  • Organizer: The Fifth Micro and Nano Flows
  • Place of Presentation: Milan (Italy)
  • Year and Date: 2016-09-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固液界面熱流動のナノ・レーザ計測と分子動力学の相互補完解析に向けて (第1報) (2016)
  • Author(s): 栗山怜子, 木下正治, 立石哲郎, 佐藤洋平
  • Organizer: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: グランキューブ大阪(大阪府・大阪市)
  • Year and Date: 2016-05-24
• [Presentation] 固液界面熱流動のナノ・レーザ計測と分子動力学の相互補完解析に向けて (第2報) (2016)
  • Author(s): 山本憲, 土居勇人, 湯原大輔, 泰岡顕治, 佐藤洋平, 菱田公一
  • Organizer: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: グランキューブ大阪(大阪府・大阪市)
  • Year and Date: 2016-05-24
• [Presentation] Development of multi-wavelength spontaneous Raman imaging for ion concentration and temperature distribution in microfluidic device (2016)
  • Author(s): M. Tanaka, K. Yamamoto, Y. Sato & K. Hishida
  • Organizer: The First Pacific Rim Thermal Engineering Conference
  • Place of Presentation: Hawaii (U.S.A.)
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sophisticated integration of laser measurement techniques and their expansion to nano/micro thermofluid dynamics (2016)
  • Author(s): Y. Sato
  • Organizer: The First Pacific Rim Thermal Engineering Conference
  • Place of Presentation: Hawaii (U.S.A.)
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Car-Parrinello Molecular Dynamics Study of Guest-Host Interaction in Ammonia Clathrate Hdyrate (2016)
  • Author(s): M. Hiratsuka, R. Ohmura, A. K. Sum, S. Alavi & K. Yasuoka
  • Organizer: The First Pacific Rim Thermal Engineering Conference
  • Place of Presentation: Hawaii (U.S.A.)
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-Equilibrium Molecular Dynamics Simulation of Evaporation Process for Diatomic Molecule (2016)
  • Author(s): Y. Nomoto, R. Sano, M. Hiratsuka, D. Takaiwa, Y. Fujita, Y. Kondo & K. Yasuoka
  • Organizer: The First Pacific Rim Thermal Engineering Conference
  • Place of Presentation: Hawaii (U.S.A.)
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vibrations of water molecules in monosaccharide hydration shell by DFT-MD studies (2016)
  • Author(s): K. Tomobe, T. Iijima, E. Yamamoto, M. Yasui & K. Yasuoka
  • Organizer: 60th Biophysical Society Annual Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles (U.S.A.)
  • Year and Date: 2016-02-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アンモニアを含むクラスレート水和物のゲスト－ホスト間相互作用 (2015)
  • Author(s): 平塚将起, 大村亮, 泰岡顕治
  • Organizer: 第29回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟コンベンションセンター）（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] 単糖水和殻中の水分子振動スペクトル解析 (2015)
  • Author(s): 友部勝文, 飯島崇, 山本詠士, 安井正人, 泰岡顕治
  • Organizer: 第29回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟コンベンションセンター）（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] 自発ラマンイメージング法を用いた多変量空間分布の非侵襲計測 (2015)
  • Author(s): 田中満依子, 山本憲, 佐藤洋平
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2015
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-10-24
• [Presentation] 顕微鏡一体型デバイス"Evanescent Wave for a Chip"を用いた固液界面極近傍の多変量分布計測 (2015)
  • Author(s): 内ヶ崎温恭, 漆谷真帆, 佐藤洋平
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2015
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-10-24
• [Presentation] 全反射ラマン散乱光を用いたマイクロチャネル流固液界面極近傍のイオン拡散非侵襲イメージング (2015)
  • Author(s): 立石哲郎, 佐藤洋平
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2015
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-10-24
• [Presentation] ナノ・マイクロ熱流動レーザ計測に影響を及ぼす分子拡散現象の定量的評価 (2015)
  • Author(s): 服部司, 佐藤洋平
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2015
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-10-24
• [Presentation] 糖鎖周りの水分子のスペクトル解析 (2015)
  • Author(s): 友部勝文, 飯島崇, 山本詠士, 安井正人, 泰岡顕治
  • Organizer: 第36回日本熱物性シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-10-19
• [Presentation] 液液流動界面におけるイオン拡散に伴う電位形成の解明に向けたナノ・カラーイメージング (2015)
  • Author(s): 渡邉菖平, 佐藤悠, 佐藤洋平, 菱田公一
  • Organizer: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県博多市）
  • Year and Date: 2015-06-03
• [Presentation] 界面熱流動計測用組込デバイス"Evanescent Wave for a Chip"の開発 (2015)
  • Author(s): 漆谷真帆, 牧野秀介, 渡辺学, 佐藤洋平, 菱田公一
  • Organizer: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県博多市）
  • Year and Date: 2015-06-03
• [Presentation] Nano color imaging for investigation of electrostatic potential induced by ion concentration near liquid-liquid flowing interface (2015)
  • Author(s): Shohei Watanabe, Yu Sato, Ken Yamamoto & Yohei Sato
  • Organizer: International Workshop on Extended-Nano Fluidics
  • Place of Presentation: 東京大学 (東京都・文京区)
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-27
• [Presentation] 親水性分子を含むクラスレート水和物におけるゲスト-ホスト間水素結合 (2014)
  • Author(s): 平塚将起, 大村亮, Amadeu K. Sum, Saman Alavi, 泰岡顕治
  • Organizer: 第28回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 仙台市民会館 (宮城県・仙台市)
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] Vibrational spectra of alcohol molecules in clathrate hydrates (2014)
  • Author(s): Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, Saman Alavi & Kenji Yasuoka
  • Organizer: International Symposium on Extended Molecular Dynamics and Enhanced Sampling : Nose Dynamics 30 Years (NOSE30)
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学 (東京都・港区)
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-11
• [Presentation] 液液流動界面におけるイオン濃度勾配に伴う電位分布のナノ・レーザ計測 (2014)
  • Author(s): 渡邉菖平, 佐藤悠, 佐藤洋平, 菱田公一
  • Organizer: 熱工学コンファレンス2014
  • Place of Presentation: 芝浦工業大学 (東京都・江東区)
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-09
• [Presentation] Measurements of electrostatic potential using nano-PIV/LIF at liquid-liquid interface in microchannel (2014)
  • Author(s): Yu Sato, Tasuku Tabei, Yohei Sato & Koichi Hishida
  • Organizer: The 25th International Symposium on Transport Phenomena
  • Place of Presentation: Krabi (Thailand)
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [Presentation] Vibrational spectra of alcohol molecules in clathrate hydrates from ab initio MD simulations (2014)
  • Author(s): Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum & Kenji Yasuoka
  • Organizer: The 8th International Conference on Gas Hydrates
  • Place of Presentation: Beijing (China)
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] クラスレート水和物内のゲスト分子の振動スペクトルが水分子から受ける影響の第一原理分子動力学を用いた解析 (2014)
  • Author(s): 平塚将起, 大村亮, Amadeu K. Sum, 泰岡顕治
  • Organizer: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松コングレスセンター (静岡県・浜松市)
  • Year and Date: 2014-05-21 – 2014-05-23
• [Patent(Industrial Property Rights)] 全反射試料証明装置 (2016)
  • Inventor(s): 佐藤洋平, 漆谷真帆, 牧野秀介
  • Industrial Property Rights Holder: 佐藤洋平, 漆谷真帆, 牧野秀介
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2016-02-26
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 全反射試料照明装置 (2015)
  • Inventor(s): 佐藤洋平, 漆谷真帆, 牧野秀介
  • Industrial Property Rights Holder: 佐藤洋平, 漆谷真帆, 牧野秀介
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-038153
  • Filing Date: 2015-02-27