Dynamic analysis of evaporation of charged nanodroplets and formed ions

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05189
• Research Institution: University of Occupational and Environmental Health, Japan
• Principal Investigator: 東 秀憲 産業医科大学, 産業生態科学研究所, 教授 (40294889)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 分子動力学 / ナノ液滴 / 帯電 / イオン / 蒸発速度 / 理論 / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

帯電液滴の蒸発は、その現象が迅速かつ複雑なことから、蒸発過程をトレースする実験は非常に困難であり、理論計算では帯電液滴の蒸発現象等を厳密には再現できていない。本提案では、静電噴霧法等を利用した各種装置の最適設計および操作条件の最適化の指針を得ることと帯電液滴蒸発過程の学理深化を目的とする。
具体的には、①実験・②理論・③分子シミュレーションの３つの方法により得られる知見を相互に活用し、現象の解明に取り組む。各方法から得られる情報により、静電噴霧法により生成する多価帯電液滴の蒸発・分裂過程とそれに伴い発生するイオンやナノ粒子の生成過程、および発生したイオンの形態および動的挙動（電気移動度等）について解析し、実験では得られない微小時間の液滴の挙動や、理論に反映できていない液滴変形の影響等を考慮することで、分子と粒子をつなぐユニバーサル理論の構築に取り組む。
前年度に引き続き、帯電液滴の蒸発ダイナミクスとして、真空中に配置したモデル帯電液滴の蒸発過程の分子動力学（MD）シミュレーションにより、帯電液滴の蒸発速度について検討した。また、ナノ粒子とイオンの動態解析として、大気圧窒素雰囲気下で帯電した鎖状高分子イオンのMDシミュレーションを行い、気相中のイオン形態の可視化と電気移動度の算出を行った。さらに、高圧電源装置とマイクロシリンジポンプを組み合わせた噴霧乾燥法による発生装置および計測装置などの実験系の構築と帯電液滴の蒸発速度（＝液滴径変化）の理論計算についてモデルの検討を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

前年度分の遅れを積み残していたのに加えて、前年度途中での所属機関の異動による現有機器等の変更に起因する研究計画の見直しに伴い、特に実験における発生装置や計測機器の整備・確認に時間を要したため。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、使用可能な設備やエフォート的にも修正が必要なことも考えられるため、研究内容等の微修正も含めて可能な範囲で対応しながら遂行していく。

Causes of Carryover

前年度分の遅れを積み残していたのに加えて、前年度途中での所属機関の異動による現有機器等の変更に起因する研究計画の見直しに伴い、特に実験における発生装置や計測機器の整備・確認に時間を要し、進歩状況がやや遅れているため。
翌年度分として請求した助成金と合わせた使用計画については、主に実験関係の消耗品の購入や研究成果の報告のための学会参加、論文投稿関係の費用として使用したい。