2014 Fiscal Year Annual Research Report
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14F04364
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
塩見 淳一郎 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40451786)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
HUNG Shih-Wei 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 動的濡れ現象 / 分子動力学 / ナノ表面構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２６年度は、シミュレーションモデルの構築を行った。液体としては実験においては用いられている水に加えて、アルコールなどにも取り組んだ。固体表面については、物理的（幾何学的）な構造と化学的な構造が異なるナノ構造のモデルを構築した。グラフェンは原子レベルで完全な滑面である一方で、自己組織化単分子膜はチオール鎖の長さや終端基の種類によって界面構造が静的および動的に若干変化する。動的濡れ特性を検証する前に、まず静的接触角を評価することによって、モデルの妥当性を検証した。その結果、当グループで行ってきた金の上に形成した自己組織化単分子膜の静的濡れ性との良好な一致を確認した。また、自己組織化単分子膜の集合的構造（傾き角など）や格子振動の状態密度なども評価した。さらに、金表面や界面近傍の液体層の振動モードがバルクのそれから変化する様子も評価した。次に、これらの界面の振動特性が強く影響すると考えられる、界面を通過する熱量（界面熱コンダクタンス）を計算した。自己組織化単分子膜の厚さ（チオール鎖の長さ）を変化させることによって、振動の状態密度の離散性の界面熱コンダクタンスへの影響を評価し、当グループでの実験結果との比較検討を行った。最後に、ナノスケールの構造を有する表面を取扱った。液体分子と表面構造のスケールの比率が接触線での速度スリップ与える影響などの評価を通じて、表面構造の動的濡れ性に与える影響を議論できるようにした。
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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
当初の計画通り、ナノスケール動的濡れ現象の分子動力学解析を行うためのシミュレーションモデルの構築が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度構築したシミュレーションモデルを用いて、液滴の動的濡れ現象のメカニズムを解明する。グラフェンや自己組織化単分子膜などの原子レベルの滑面に加えて、ナノスケールの構造を有する表面を取扱い、スリップや界面摩擦の動的な濡れ半径や速度に与える影響を明らかにする。液滴の形状が非定常に変化する中で速度スリップや界面摩擦のよる散逸エネルギーを計算することは一般的に困難であるが、本研究では、液滴を２つの向かい合う固体面に液滴を挟み（液柱）、クエット流のように固体面を動かすことによって、動的濡れ速度と固体面の移動速度が釣り合った定常状態を実現する。この「定常的な動的濡れ現象」を用いることによって、長時間のアンサンブル平均が可能となり、上記の散逸エネルギーを定量的に評価することが可能となる。我々はこれまで、平滑面上にナノスケール液滴を滴下した際の動的濡れ挙動を，分子動力学計算と連続体計算を用いて独立に解析し、液滴の動的濡れ挙動（濡れ速度，濡れ角，濡れ径等）を合わせ込むことで、連続体計算の境界条件に導入したスリップ長さや界面摩擦パラメータを間接的に求めてきたが、本研究の直接計算によってこれまでの計算の妥当性を検証することにもなる。動的濡れ現象のエネルギー散逸機構としては、速度スリップや界面摩擦に加えて、粘性や慣性なども考えられるが、これらの重要性は、上述の液体分子と表面構造のスケールの比率や、液滴の物性（表面張力、粘性、大きさ）、またはそれらから構成される無次元数により決定されると考えられる。系統的にシミュレーションを行うことで、各物理が支配的となる無次元数領域およびそれらの境界をマッピングし、液滴の動的濡れ性の制御性について体系的に整理して示す。さらに、液体中のイオンの影響を考慮することも視野に入れ、モデルのさらなる発展にも着手する。
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