2021 Fiscal Year Annual Research Report
ナノスケールにおける固液間の速度すべりに関する分子動力学解析
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21J20580
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大賀 春輝 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 固液界面 / 固液間摩擦 / Green-Kubo / Navier境界条件 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，マイクロからナノスケールの流路を用いて分離，混合，科学操作などを行うマイクロTASの実用化が進むなどナノスケールの流れの工学的応用が進んでいる．近年の計測技術，分子動力学(MD)法を中心とした計算科学の発展によりナノメートルオーダーになると，固液間のすべりの影響が顕著に表れることが明らかになってきた．MD法を用いて，固液摩擦係数を算出することを考えた場合，せん断を与えることにより非平衡定常流れを再現する方法が一般的であるが，長時間の平均を要することや，現実より遥かに大きいせん断を与える必要があるなどの問題がある．
そこで本研究では，非平衡定常流れにおいて現れるこれらの問題を解決すべく，MD法を用いてせん断を与えない平衡系の固液摩擦力の揺らぎの自己相関関数を解析することにより固液摩擦係数を抽出する方法を，基礎的な力学である流体力学を前提として理論的に確立することを目的とする ．
本年度は流体力学を前提として，液体に接した固体に関しての運動方程式を立式することにより，平衡系の固液摩擦力の自己相関関数と固液摩擦係数との関係式が本研究により明らかになった．具体的には，固液摩擦力の自己相関関数は固液摩擦係数，固液摩擦kernel（摩擦力の位相遅れを示すもの）および系のサイズなどと関係しており，ミクロなタイムスケールにおいては固液摩擦kernelの影響を，マクロなタイムスケールにおいては系のサイズの影響を受けることがわかった．また，固液摩擦kernelについて，分子スケールで平滑な固体表面を用いた系であればバネとダンパーを直列につないだモデルであるマクスウェルモデルを適用すれば分子動力学の結果とほぼ一致するが，マクロ的には平滑と見なせる場合でも分子スケールでは平滑でない固体表面を用いた系の固液摩擦kernelは固体表面の形状に依存することが明らかになった．
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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
本課題の目的は以下の二つのステップにまとめられる．
・MD法を用いて固液間摩擦係数と，流体力学的な流れを生じさせない平衡系の固液摩擦力の揺らぎの自己相関関数との関係性を流体力学を前提として理論的に明らかにする．
・その関係式に基づいてMD法を用いて平衡系の固液摩擦力の揺らぎの自己相関関数から固液摩擦係数を算出する方法を確立し，その適用範囲を調査する．
研究実績の概要で述べた通り，以上の内，一つ目のステップは達成できたためおおむね順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究により，MD法を用いて平衡系から得られた固液摩擦力の自己相関関数が流体力学的なパラメータを用いて定式化された．次はその自己相関関数から固液摩擦係数を抽出する方法を確立すればよい．しかし，その自己相関関数のうち，統計誤差の小さいミクロなタイムスケールにおいては，一般には未知関数である固液摩擦kernelに大きく影響を受けることがわかった．この問題を解決すべく，以下の二つの推進方策が考えられる．
・自己相関関数のうち，固液摩擦kernelの影響を受けない時間スケールを特定し，その時間領域の解析をすることで固液摩擦係数を抽出する方法を確立する．
・固体としてはFCC壁面やGraphene壁面など，液体としてはArやwaterなど様々な固液系に対して，固液摩擦kernelの関数形を調査し，固液摩擦kernel自体を特定する．
この二つの推進方策を同時に行っていき，臨機応変に対応していきたい．
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