隙間水が関与した摩擦現象と隙間水の流体現象の研究

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05198
• Research Institution: Kanagawa University
• Principal Investigator: 真庭 豊 神奈川大学, 付置研究所, 客員教授 (70173937)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 客野 遥 神奈川大学, 工学部, 准教授 (10746788) ; 松田 和之 神奈川大学, 工学部, 教授 (60347268)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: カーボンナノチューブ / 流体現象 / 摩擦

Outline of Annual Research Achievements

自然界の現象の理解や人工的なナノ機械の構築において、構成する物質間の摩擦現象の解明は重要な研究テーマの一つである。本研究では、隙間に水などの液体が介在する場合の摩擦現象と、摩擦が関与した流体現象を明らかにする。特に、2次元材料間の隙間に水などの液体がある場合の摩擦現象、およびカーボンナノチューブ(CNT)のナノ・サブナノメートルサイズの空洞内の水などにつての摩擦が関与した流体現象を理論的・実験的に明らかにすることを目的とする。
2021年度は、昨年度構築したCNTの中の水の流体現象を明らかにするモデルシステムを使って、直径が異なる２種類のCNTについて、CNTを流れる水の流量Qと圧力差Ｐの関係について、いくつかの温度における計算を行った。CNTとしては炭素原子の位置を固定した剛体モデルを用いた。また、簡単のために一方のタンクの圧力をゼロとした。各CNTにおいて長さが2倍異なる2種類についての計算を行った。長さが2倍異なる2種類についての計算を行った。
有限のＱを得るためには、有限のＰが必要であったが、CNTの長さによる違いでＱの変化（したがって流体抵抗の変化）はなかった。すなわち、剛体CNT内部での流体抵抗はほとんど無視できるものと考えられる。更に、見出された顕著な流体抵抗は、タンクとCNTとの接続部分にあることがわかった。すなわち、タンクからCNTへ水が流れ込むときに有限の圧力差が必要であり、この有限の抵抗は、タンクとCNTの接続部分での水の構造変化に関連すると考えられた。
さらに、温度を２６０Ｋから３００Ｋの間の一定温度で、ＰとＱの関係を計算したところ、温度の低下により、水が流れる抵抗が増大することがわかった。今後これらの計算結果を詳細に解析して、水の局所構造変化についての知見を得たいと考えている。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

コロナ禍のため、実験室での研究がほとんどできなかった。研究は主に学外で可能な計算機シミュレーションをおこなった。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、今まで続けてきた計算機実験の結果をまとめて論文発表を行いたい。また、液体を挟んだ平板間の摩擦現象についての計算機実験及び、対応する実験室での研究を行いたい。実験室ではＡＦＭを用いた摩擦測定を行う。

Causes of Carryover

おもにコロナ禍で研究が期待したように進まなかったので研究期間の1年間の延長を行った。今後の1年間の研究費用が必要である。KEK放射光施設では、X線回折実験、法政大学ではNMR実験、神奈川大学では、計算機実験およびAFM実験を行う予定である。内訳は以下の通りです。
共同研究旅費（法政大学、KEK放射光実験旅費）150,000円；論文発表費用200,000円；AFM実験消耗品300,000円；NMR実験用寒剤購入代金500,000円；電子部品の購入150,000円；その他試薬など456,671円