2022 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative technology for controlled synthesis of reactive species by elucidating spatio-temporal dynamics of plasma gas-liquid interfacial reactions
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22H04947
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金子 俊郎 東北大学, 工学研究科, 教授 (30312599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高島 圭介 東北大学, 工学研究科, 助教 (70733161)
佐々木 渉太 東北大学, 工学研究科, 助教 (90823526)
茂田 正哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Keywords | 気液界面プラズマ / 低次元界面液体 / 時空間ダイナミクス / 輸送過程・空間分布 / 活性種制御合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，プラズマと低次元界面液体との界面層における，電荷・気流，液体形状変化が相互作用する特異的な界面反応を解明し，プラズマ照射液体内の反応生成物の完全制御の学術基盤を構築することを目的としている．初年度の2022年度は以下の成果を得た．
①プラズマ生成活性種・電荷の低次元界面液体への独立制御供給技術の開発：2022年度は，二つのプラズマ（『電荷制御プラズマ』と『活性種制御プラズマ』）と液柱流の接触を時間・空間的に制御できる新たな装置開発に注力した．『電荷制御プラズマ』に必要な電圧波形を生成するナノ秒パルス電源開発を行い，空間的に局在する液体表面電荷の生成が確認された．『活性種制御プラズマ』として必要な，気相液相の混相流を横切る時間制御されたプラズマ生成を，浮遊電極導入と高周波交流放電により実現した．
②プラズマ照射低次元界面液体での活性種，電荷の計測手法の確立：【電界・電荷計測】『電荷制御プラズマ』の下流に，低速且つ微量な電荷の運動を捕捉できる静電プローブおよび回路を開発することに成功した．【活性種計測】時間・空間的に非一様な液柱流の流れ方向分布を得るために，新たに空気噴射による活性種のサンプル法を開発した．これにより，気液界面プラズマに生じる，空間局在した活性種の計測が可能となった．
③低次元界面液体の形状変化と化学反応のシミュレーション手法の開発：気流および電磁場との相互作用によって形状変化が生じる二次元液柱流をシミュレートできる数値計算手法を開発した．界面変形にともなう電磁気力の集中と増大によって液面の形状変化が促進されるプロセスや，気流の影響を受けて安定的な流下を維持できずに液柱が破断に至る過程も再現された．流体内部の物質輸送を同時に扱うことのできる機能の開発も進みつつある．
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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
本年度に計画していた２つのプラズマ（『電荷制御プラズマ』と『活性種制御プラズマ』）と液柱流の接触を時間・空間的に制御できる新たな装置の開発に成功した．また，計測手法の確立においては，『電界・電荷計測』として，低速かつ微量な電荷の運動を捕捉できる静電プローブおよび回路を開発することに成功し，『活性種計測』においては，時間・空間的に非一様な液柱流の流れ方向分布得るために，新たに空気噴射による活性種のサンプル法を開発した．これにより，気液界面プラズマに生じる，空間局在した活性種の計測が可能となった．
さらに，気流および電磁場との相互作用によって形状変化が生じる二次元液柱流をシミュレートできる数値計算手法を開発し，界面変形にともなう電磁気力の集中と増大によって液面の形状変化が促進されるプロセスや，気流の影響を受けて安定的な流下を維持できずに液柱が破断に至る過程も再現された．
以上の理由により，おおむね順調であると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の成果を踏まえて，今後は以下の研究を推進する．
①プラズマ生成活性種・電荷・気流の低次元界面液体への独立制御供給技術の開発，②プラズマ照射低次元界面液体での活性種，電荷，電界，気流，液体形状の計測手法の確立
2023年度は，2022年度に製作した『液柱流導入装置』と『単一微量液滴導入装置』に『電荷制御プラズマ源』と『活性種制御プラズマ源』を組み合わせて，電荷および活性種を独立に制御して液体へ照射し，種々の計測を実施する．さらに，2022年度に構築した『ピコ秒パルスレーザー計測システム』を用いて，電界計測を実施する．【電荷計測】電荷制御プラズマ源でのプラズマのナノ秒生成により，表面電荷密度・帯電面積を制御して液柱流を帯電させ，液柱流の下流で静電プローブにより電荷の時空間発展を計測する．【活性種計測】液柱流の下流にパルスマイクロプラズマアレイ（活性種制御プラズマ源）を設け，希ガスを用いプラズマを生成し，プラズマ生成活性種を気液界面に到達させる．その下流域で，選択的化学プローブを用いて長寿命活性種および短寿命活性種の時空間発展を計測する．【液体形状計測】シャドー法によるハイスピードカメラを用いた液柱・液滴計測を行い，液面不安定性の発達や液滴変形のリアルタイム計測を行う．【電界計測】ピコ秒パルスレーザーを用いたEFISH法による電界計測を実施する．パルスマイクロプラズマアレイでのプラズマ中の電界変化を観測する．
③低次元界面液体の形状変化と化学反応のシミュレーション手法の開発
2023年度は，プラズマと相互作用する液柱界面における不安定波成長に起因する大変形過程をシミュレートする．界面変形から破断に至るプロセスを捉えながら，界面反応・帯電モデルを構築し，「プラズマにより帯電し界面反応により液柱表層に生成・局在した短寿命活性種を輸送する液柱流」のシミュレーションを実現する．
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