2022 Fiscal Year Annual Research Report
多機能高送達性ナノ粒子シングルステップ合成を実現する超臨界プラズマ流の創成と制御
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21H01249
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
茂田 正哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 学 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (20243272)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 流体工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超臨界プラズマという特異物質相の流れを利用して、多機能高送達性ナノ粒子の生成量・サイズ・組成を制御しながらシングルステップで大量合成するという新手法を流体工学的立場から確立することを目的としている。2022年度は、前年度に開発した非軸対称形状の傾斜アークプラズマ内部の温度を計測できる非対称Abel逆変換画像分光法の深化を図った。また、ヘリウム雰囲気中で発生したアークプラズマとの相互作用で溶融タングステン表面から放出される微小液滴を捉え、その発生メカニズムを電磁流体力学的観点から明らかにした。さらに電極を改良し、高電圧パルス放電により超臨界二酸化炭素中でプラズマ相をロバストに連続維持できるに至った。一方で、数理モデリングを基盤とした数値シミュレーションによる研究も行った。プラズマ－非電離気体共存系の熱流体挙動を捉えるために研究代表者が独自に構築してきた数値計算手法を用いて、解離性ガス由来のアークプラズマの急激な熱膨張に起因する乱流渦誘発現象のミニマル過程の再現に成功し、渦生成メカニズムを明らかにした。さらに、固相および液相の共存する連続体を粒子法によってモデル化し、高電流条件下での金属溶融・流動・凝固・化合物形成・酸化物輸送を同時に再現・解析できる数値シミュレーションを実現した。ナノ粒子については、冷却過程において異種金属ナノ粒子群が共凝縮を経て集団形成する時間発展プロセスを数値解析的に明らかにした。
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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
改良電極を用いた高電圧パルス放電により超臨界二酸化炭素中でプラズマ相をロバストに連続維持できるようになった。また、ナノ粒子形成・輸送やプラズマ流動に関する理論的研究の方もおおむね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、パルス的な高速放電にともなうプラズマ相の温度計測を実現するための計測系を構築する。並行してシュリーレン計測システムを適用して密度場を計測することで流動場の構造を明らかにする。合成物については、Ｘ線回折(XRD)を用いた組成分析により物質の同定と特性評価および電子顕微鏡(SEM, TEM)を用いた粒径・形状観察を行う。同時に理論的・数値的な研究アプローチも継続し、超臨界プラズマ流動場におけるナノ粒子の形成メカニズムを明らかにするために数値計算モデルの拡張を行う。超臨界状態のプラズマ相を表現できる数理モデルを構築するために高温環境における解離性ガスの原子・分子スケールの物理化学からマクロスケールの電磁熱流体現象に渡るマルチスケール・マルチフィジックスモデルの構築を行っていく。
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