2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of practical simulator to design crystallization and surface reaction process in supercritical fluids
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19K05132
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| Research Institution | Hachinohe National College of Technology |
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Principal Investigator |
本間 哲雄 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (10369910)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
百瀬 健 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10611163)
秋月 信 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (30707188)
佐藤 剛史 宇都宮大学, 工学部, 教授 (60375524)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 核生成 / 晶析 / 超臨界水 / 分子シミュレーション / 亜臨界水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、実機での課題発見・解決に必要な晶析・表面反応機構を模倣するために、分子シミュレーションと離散要素法(DEM)を活用した核生成・表面反応過程を模擬する実用シミュレータを開発し、実機レベルでのナノ粒子生成や固体表面反応過程を可視化して、製造プロセスの知見・設計指針の提供に資することを目的とした。
上記の目的を達成するために、本研究では、まず晶析・表面反応過程を分子レベル（量子化学計算、分子シミュレーション）で解明して、晶析モデル構築に必要なミクロ物性値の取得（核生成に必要な活性化エネルギーや臨界核半径）を目指す。続いて、分子レベルでのミクロ物性値をメソスケールでの核生成モデルへ適用するために、DEMへ適用できる核生成モデルを開発し、晶析・表面反応過程を模倣する実用シミュレータの開発を目指している。
初年度は、量子化学計算による酸化亜鉛の核発生過程の模擬を行い、核発生のための生成自由エネルギーを計算した。次年度以降はMD計算に切り替えて、溶媒を離散的に扱うことで結晶化過程への溶媒の参加を可能にした。さらに、令和３年度以降は、模倣する酸化亜鉛のポテンシャルモデルの改良を行うことで、結晶化過程を模擬することが可能になった。特に、酸化亜鉛の結晶化過程を模擬するためのLJおよびクーロンポテンシャルパラメーターの最適化を行い、酸化亜鉛に特徴的な六方晶系のウルツ鉱型構造を模擬することを可能にした。
一方、メソスケールシミュレーションについては、数値流体力学(CFD)とDEMを連成させたDEM-CFD法の構築を行った。その結果、非圧縮性流体中における粒子運動を模擬することが可能となった。今後は、MD法から得られた核生成過程の微視的知見―特に結晶核サイズや核発生のための活性化エネルギーに関する知見を活かして、実機レベルでの均一核発生過程及び不均一核発生過程の模倣に向けて検討する予定である。
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