2016 Fiscal Year Annual Research Report
機能キャリアとしての多価帯電ミストの蒸発・分裂ダイナミクス
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15H04171
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
瀬戸 章文 金沢大学, 自然システム学系, 教授 (40344155)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大谷 吉生 金沢大学, 自然システム学系, 教授 (10152175)
東 秀憲 金沢大学, 自然システム学系, 准教授 (40294889)
折井 孝彰 国立研究開発法人理化学研究所, イノベーション推進センター, 上級研究員 (60321741)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 薄膜・微粒子形成操作 / 静電噴霧 / イオン / 液滴 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２年目である今年度は，まず，多価帯電液滴の蒸発過程を迅速に計測可能な小型モビリティーアナライザの開発を重点課題として取り組んだ。このために，１）装置周りへの冷却機構の導入と，２）イオン生成装置とモビリティアナライザの一体化，について検討した。１）においては，装置へのペルチェ素子の組み込みについて基本設計を行ったが，装置の大型化・複雑化が課題となっており，より揮発性の低い溶媒での実験あるいは，実験系全体の温度制御についても同時に検討を行った。２）においては，マイクロプラズマ素子を内蔵した新たな小型モビリティアナライザの試作と動作確認を行っている。本装置は，多価に帯電したナノ液滴の帯電状態をマイクロプラズマ素子から発生するイオンの衝突によって制御し，さらにそのモビリティ変化を同時に計測できる装置である。現在のところ，規定のモビリティを有した標準物質イオンを用いた予備実験を行っており，数nmの範囲において良好な分級特性が得られている。この装置については，一部先行して大気中のエアロゾル計測への応用を検討しており，大気中でのナノ粒子の生成機構の解明に向けた新たな取り組みにつながっている。さらに３）静電噴霧によって生成した多価帯電ナノ液滴のダイナミクスの解析を進めており、分子動力学計算による液滴の蒸発ならびに静電界中での移動に関して、新たな知見が得られている。
研究成果としては，The 11th Asian Thermophysical Properties Conference (ATPC2016)において発表を行い、上記３）に関連した研究論文の投稿準備中である。
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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
機能キャリアとしての多価帯電ミストの蒸発・分裂に関するダイナミクスを解析するために、課題１：新規モビリティアナライザの開発（計測ツール開発）と、課題２：分子動力学計算を援用したミスト分裂過程のモデル化（モデル構築）の２つの課題に取り組んでいる。
まず課題１に関しては、マイクロプラズマイオン発生素子を組み込んだ新規モビリティアナライザを設計・試作しその動作確認を行った。現在のところ、検出器のノイズレベル低減が課題となっているが、標準イオンを用いた予備実験では良好な分級特性が得られている。また、質量分析器とのインターフェイスについても開発を完了した。
課題２のモデル構築については、液滴の蒸発に加え、静電界中でのイオンの移動ダイナミクスに関するシミュレーションを開始し、鎖状高分子のコンフォメーションと電気移動度に関する興味深い結果が得られている。それらの結果は課題１で求めた実験データとの比較を行い、静電噴霧過程で生成するイオンや液滴の生成過程の解明に向けた有効なデータが蓄積しつつある。さらに企業との連携においてマルチノズルを用いた大量イオン発生デバイスの開発を行った。
これらの結果に関して、The 11th Asian Thermophysical Properties Conference (ATPC2016)において成果発表を行い、さらに多価帯電イオンのダイナミクスに関する論文を準備中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の最終目標は，静電噴霧において初期生成物（多価帯電ミスト）と最終生成物（イオン及びナノ粒子）の中間をつなぐ，ダイナミクスを明らかにすることである。このために，最終年度である次年度は，これまでに開発を行ったモビリティアナライザを実際に種々のイオン計測に適用し，イオン種や溶媒によってどのような過程で分裂が生じるか，また得られる分子イオンが気中でどのような挙動を示すかについて総合的に解析を行う。
これまでに静電スプレー，モビリティアナライザ，および質量分析器を最短距離で接続するインターフェイスの開発が完了しているため，このシステムを適用して高速に変化する多価帯電ミストの帯電量と粒径分布ならびに分子構造の変化を解析する予定である。
一方，分子動力学によるシミュレーションにおいては，ポリエチレングリコールなどの直鎖状分子イオンの解析が可能となっている。これに電荷を加えて，気中での分子イオンの輸送や固体表面への捕集に関する解析も行う予定である。これらの分子シミュレーションで得られる結果を上記の実験データと比較することにより，これまで不可能であった液滴とイオン，ナノ粒子の領域を接続する新たなモデルの構築を行うことを目標とする。
さらに連携研究員として参画している企業との共同研究も順調に進展しており，新たな静電霧化デバイスの開発につながっている。本デバイスは，有効成分のイオンとしての生成と電界による輸送を実現するものであり，今後製品化を目指して共同開発を継続する。
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