2015 Fiscal Year Annual Research Report
固体表面における水分子の散乱機構の解明－ナノ流路内の水蒸気輸送解析に向けて－
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25820040
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杵淵 郁也 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (30456165)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 分子流体力学 / 希薄気体力学 / マイクロ気体流れ / 高クヌッセン数流れ / 分子線散乱実験 / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
MEMS/NEMSや燃料電池などのマイクロ・ナノデバイス内部における水蒸気輸送解析を精緻化することを目的として，固体表面に入射する水分子の散乱挙動を分子線散乱実験および分子動力学シミュレーションにより解析した．
分子線散乱実験から，シリコン表面における水分子の散乱挙動は，室温の気体分子が持ち得る狭いエネルギー範囲内であっても，入射並進エネルギーに依存して大きく変化することが明らかになった．入射エネルギーが比較的高い場合には，散乱角度分布はコサイン則に近い拡散的な分布を示した．散乱分子の並進エネルギー分布が表面温度の熱平衡状態には達していないことから，本実験で得られた拡散的な散乱分布は，気体分子が固体表面に熱的に完全適応した結果ではなく，固体表面の原子スケールの凹凸や，水分子の回転運動に起因するものであることが示唆された．一方，入射エネルギーが低い条件では，散乱角度分布は指向性を持った葉状分布をとることが明らかになった．実験結果から散乱による気体分子－固体表面間の運動量交換を評価したところ，入射エネルギーの増加に伴って接線方向運動量適応係数が増加するという，他の気体分子・固体表面の系において一般的にみられるものとは逆の傾向が得られた．
本研究課題で確認された散乱挙動の入射並進エネルギー依存性の原因を解明するために，分子動力学シミュレーションによる解析を行った．その結果，入射並進エネルギーが低い条件では，水分子はシリコン表面に長時間滞在して入射時の運動量履歴を失い，脱離する際の運動の方向は表面構造に起因してコサイン則からずれた指向性を持った分布を取ることが明らかになった．また，入射エネルギーが増加するにつれて，散乱分子は入射時の接線方向運動量の履歴を残すようになり，散乱角度の大きい方向に散乱される分子の割合が増加するため，散乱分布が見かけ上，コサイン則に近づいていることが確認された．
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