2020 Fiscal Year Annual Research Report
流動が誘起する液晶圧電効果のメカニズム解明と発電デバイスの開発
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20H02059
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
蝶野 成臣 高知工科大学, システム工学群, 教授 (20155328)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
辻 知宏 高知工科大学, システム工学群, 教授 (60309721)
西脇 永敏 高知工科大学, 環境理工学群, 教授 (30237763)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 液晶 / 圧電特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ひずみを与えると電気が発生する圧電効果は固体特有の現象として広く知られており、既に着火装置等に実用化されている。一方、液晶は棒状または円盤状の分子からなり、弾性率が低い柔らかい物質「ソフトマター」である。液晶は巨視的には通常の液体のように振る舞うが、微視的には結晶の異方性を有しているので、結晶と同様、圧電効果を発現する可能性がある。もしそうであるなら、潤滑しながら発電する軸受け、発電床のように踏圧を電気に変換するデバイス、さらには如何様な間隙にも形状適合して発電する無定形デバイスを開発できる。しかしながら液晶の圧電効果については未知の部分が多い。
本研究は数値計算と実験によって液晶の圧電効果の発現メカニズムを解明し、それに基づいて効果的な圧電条件を見出すこと、さらに、ひずみを高い効率で電荷に変換できる新規な液晶を化学合成することで、高電荷量の発電現象に資する基盤技術の創出を目指す。
2020年度は、まず計算機システムの機種選定を行い、分子動力学（ＭＤ)計算に適した計算機を購入した。次にプログラムを開発し、アスペクト比（棒状分子を回転楕円体と見なしたとき、長径と短径の比）、温度、せん断速度の影響を定量化した。最後に、連続体力学計算も行った結果、せん断面内で回転運動していた一部の液晶分子が、トルクを受けてある閾値以上のせん断歪みを受けると、そのトルクを下げるためにせん断面外に配向することを見出した。この面外配向現象が圧電効果の発現に関連していると推察した。
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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
ＭＤ計算と連続体力学計算によって、せん断流中の液晶分子の挙動を詳細に明らかにするとともに、欠陥（分子配向の特異点）の発生もシミュレートできた。従って、ほぼ研究計画通りに進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
ＭＤ計算と連続体力学計算の結果から立てた仮説を実験によって検証する必要がある。そのため、二重円筒装置を製作する。外筒を固定し内筒をモータで回転させることで、円筒間の液晶にせん断を印加する。パラメータを変化させながら、電位差測定と配向状態の詳細観察を行う。最終的には、圧電効果を最大化する回転速度と壁面配向角を提案するとともに、圧電特性に優れた新規液晶を合成する。
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