2015 Fiscal Year Research-status Report
沸騰熱伝達による高効率除熱実現に向けた自己浸濡性流体の機構解明
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15K17990
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
金子 敏宏 東京理科大学, 理工学部, 助教 (00711540)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 表面張力 / 気液界面 / ブタノール水溶液 / 自己浸濡性流体 / 分子動力学 / 化学物理 / 計算物理 / 熱工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では沸騰熱伝達において高密度な熱流束を実現する作動流体として期待されている自己浸濡性流体(温度上昇に伴い表面張力が上昇する流体)に注目し，この性質が発現する分子レベルの機構を明らかにすることを目的として研究を進めている．具体的には，典型的な自己浸濡性流体であるブタノール水溶液の全原子分子動力学シミュレーションと界面の熱力学に基く表面張力温度依存性の理論研究を行った．
平成27年度は，情報収集を目的として，国内学会や海外研究機関との打ち合わせに参加した．これらを通じて得た知見をもとに，ブタノール水溶液の全原子分子動力学シミュレーションを実施するための計算系を構築し，計算条件を決定した．同時に理論研究を通して表面張力温度依存性を記述する式の導出を進めた．
また，分子動力学シミュレーション用計算機の周辺部品を購入し，計算環境を整備した上でブタノール水溶液の全原子分子動力学シミュレーションを行い，表面張力値を算出し実験値と比較した．
現在までに研究の中間成果の一部を第29回分子シミュレーション討論会(新潟)や3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics (Tokyo, Japan)で発表している．
これらをもとに平成28年度以降は引き続きブタノール水溶液の全原子分子動力学シミュレーションを実施し，原子座標の時系列の解析や界面の熱力学に基く理論式との比較を行ない，自己浸濡性流体が発現する分子レベルの機構解明を目指して研究を続けていく．
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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
当初の平成27年度の研究予定は，ブタノール水溶液の気液2相平衡系の分子動力学シミュレーションを実施するためのハード面とソフト面の準備をすることおよび2成分系の表面張力の温度依存性を記述する式の確立を目指した理論研究を完成させることであった．以下に具体的に示すように，これら研究予定はほぼ達成できており，研究はおおむね順調に進展している．
まず，分子動力学シミュレーション用計算機の周辺部品を購入することで計算環境の整備をするとともに，シミュレーションに使用する力場の選定や計算系の吟味を行った．その結果，分子動力学シミュレーションソフトである Gromacs 4.6.7 および TIP4P/2005力場とOPLS-AA力場を使用し，周期境界条件をかけた計算系に薄液膜を形成して気液共存状態に保つことで，コンピュータ上に気液界面を再現できた．同系を用いて純粋，1-プロパノール水溶液，1-ブタノール水溶液の表面張力の計算に成功し，得られた表面張力が実験値のオーダーを再現していることを確認した．
また，上記の分子動力学シミュレーションの準備と並行して，熱力学に基づいた2成分系の表面張力予測式の導出を目指した理論研究を行なった．2成分系における溶質の表面過剰と表面張力変化の関係式を整理することで，表面張力の温度依存性を記述する式を導出できた．
以上のように平成28年度に向けて分子動力学シミュレーションの準備と理論面の準備が完了し，当初の予定どおり研究はおおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度に準備した計算系や理論式をもとにして，10 ns 以上の分子動力学シミュレーションの実施と全原子座標データ時系列の解析を中心に取り組む予定である．
まず，これまでの短時間の分子動力学シミュレーションによれば，1-ブタノール水溶液では液相中で1-ブタノール分子が集合しやすく，1-プロパノール水溶液では液相中で1-プロパノール分子が分散しやすいという特徴が見られた．自己浸濡性は1-ブタノール水溶液で発現し，1-プロパノール水溶液では発現しないという実験事実もふまえて，10 ns 以上の長時間の分子動力学シミュレーションを実施し，溶質分子の集合度合いを定量的に比較しながら，自己浸濡性との関係を考察していく．
つぎに，1-ブタノール水溶液において表面過剰，濃度・温度，表面張力を分子動力学シミュレーションから算出し，各物理量間の関係性を平成27年度に導出した界面の熱力学に基づく理論式と比較する．
さらに，気液界面での1-ブタノール分子の挙動に注目した解析を行なう．気液界面における1-ブタノール分子の2次元的なふるまいを様々な温度で観察することで，気液界面での1-ブタノール分子の挙動と表面張力変化の関係性を考察する．
以上のように，全原子座標データ時系列を解析することで，自己浸濡性が発現する分子レベルの機構解明を目指した研究を進めていく．そのための座標データ解析用の計算機導入と，中間成果発表のための学会参加や研究打ち合せなどを予定している．
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| Causes of Carryover |
時間をかけて購入方法を検討することで予定よりも安く物品を購入できたため，平成28年度所要額の0.1%以下に相当する額(1,500円程度)が未使用金となった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額はその他に計上し，研究遂行に必要な経費として利用する予定である．
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