General description of heat conduction in liquid and solid using frequency resolved heat flow and energy transport characteristics between atoms and molecules

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18690
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 芝原 正彦 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40294045)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 熱伝導 / 界面熱抵抗 / 分子動力学

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，物質のスケールや状態に依存しない熱伝導特性の一般的な記述を考えることを目的として，物質を原子・分子（以降，粒子とする）にまで分解し，周波数分解した熱流に対する二つの粒子間の伝導特性を記述する関数を求めて，それを用いて注目する系全体または局所の有効熱伝導特性を表現することを考えている．そのために，本年度は以下の研究項目を実施した．
（１）固体・液体およびその界面を含む分子モデル系の作成:　固体領域，液体領域，およびその界面を含む分子モデル系の熱伝導状態をシミュレートできる古典分子動力学解析プログラムを作成した．本プログラムでは，各領域のサイズや温度，さらに界面の濡れ性を任意に変化させることが可能とした．
（２）定常熱伝導状態と非定常熱伝導状態の作成と評価:　二つの固体領域の間に液体領域を配置し，各固体領域の境界温度差を設定することで，固液界面を跨ぐモデル系全体で一次元定常熱伝導状態となるようなプログラムを作成した．また，定常状態が実現した後，固体領域の温度を変化させることで，非定常熱伝導状態が作成できることを確認した．また，一次元熱伝導方程式の定常解および非定常解との比較を行った．
（３）固体領域，液体領域，固液界面の熱コンダクタンスの算出: 　（２）で作成したモデル系において，一次元定常熱伝導状態を作成し，固体領域，液体領域，固液界面のコンダクタンスをそれぞれ算出し，熱回路網法でのモデリングを行った．また，任意の要素数で解析可能な非定常熱回路網法プログラムを作成した．そのプログラムを用いて，固体領域と液体領域の分割サイズを変化させた場合の熱回路網法による解析を行い，非定常熱伝導状態の分子シミュレーションの結果との比較を行った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

モデル分子を用いた固体・液体バルク系，固液界面系の平衡・非平衡分子動力学シミュレーションプログラムの基本構造はほぼ完成している．また，任意の要素数で解析可能な非定常熱回路網法プログラムも完成している．以上より，現時点ではおおよそ予定どおりに進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

本研究は，物質のスケールや状態に依存しない熱伝導特性の一般的な記述を考えることを目的として，物質を原子・分子（以降，粒子とする）にまで分解し，周波数分解した熱流に対する二つの粒子間の伝導特性を記述する関数を求めて，それを用いて注目する系全体または局所の有効熱伝導特性を表現することを考えている．そのために，今後は以下の研究項目を実施することを予定している．
(1)熱流束の確率密度分布および周波数スペクトルの算出: 分子動力学シミュレーションを用いて固液界面，液体領域，固体領域における熱流束の時間変化を計算し，それらの確率密度分布と周波数スペクトルを算出するプログラムを作成する．また，検査体積を変化させることにより，熱流束の確率密度分布と周波数スペクトルがどのように変化するかを調査する．
(2) 固体・液体バルク系，固液界面系の周波数分解した熱コンダクタンスの算出: (1)の結果を用いて，固体・液体バルク系，固液界面系の周波数分解した熱コンダクタンス（熱伝導率）を求めて，圧力や温度，濡れ性などのパラメータが与える影響を調査する．また，検査体積の影響を評価し，最終的には単分子・原子スケールの熱コンダクタンスを求める．
(3)粒子間熱コンダクタンスへの展開: (1)と(2)をさらに局所的にかつ三次元的に求めることを考えて，最終的には粒子間熱コンダクタンスの空間分布を求めることを試みる．それらの粒子間熱コンダクタンスを三次元の熱回路モデルと接続することで，物質のスケールや状態に依存しない熱伝導特性の一般的な記述の実現を試みる．

Causes of Carryover

コロナ禍の影響で，出張の機会がなかったことで次年度使用額が生じている．次年度の経費は，主に国内学会への出張による使用を計画している．