2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ・レーザ計測と粗視化モデルの相互補完解析法による界面フルイディクスの深化
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26249022
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
菱田 公一 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (40156592)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 洋平 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (00344127)
泰岡 顕治 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (40306874)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱流動相互補完解析法 / 自発ラマン散乱 / エバネッセント波自発ラマンイメージング / 分子動力学シミュレーション / 粗視化モデル / 振動スペクトル / 界面熱流動ダイナミクス / 界面フルイディクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
界面熱流動に関する理論の再構築を目的として，エバネッセント波自発ラマン散乱イメージング法と，複数の分子の集合体を一つの粒子として扱う粗視化モデルによる相互補完解析法の開発を４ヶ年に渡り行う．今年度の研究成果を下記に述べる．
①二波長エバネッセント波自発ラマン散乱イメージング法の開発による固体・液体界面極近傍における分子濃度分布計測：マイクロチャネル内に水・重水から成る混合場を形成し，励起光としてエバネッセント波を用いることにより，固体・液体界面極近傍の水・重水濃度分布計測を行った．水と重水では，ピーク波長を有するラマンシフトが著しく異なるため，EM-CCDカメラにそれぞれのラマンシフトに合致したフィルタを装着することにより，ラマン散乱光強度と，水と重水の混合比との相関関係である校正曲線の取得を行い，水と重水の濃度分布の非侵襲イメージングに成功した．
②Evanescent Wave for a Chip（EvaChip）の開発（特許出願中）
③水分子および重水分子に関する分子動力学シミュレーション：実験結果を理論的に解析するため，分子内振動を考慮した第一原理分子動力学シミュレーションを用いて，水分子および重水分子から成る混合溶液の計算を行った．水と重水の比率を1:0, 0.75:0.25, 0.5:0.5, 0.25:0.75, 0:1.0としてシミュレーションを行い，振動スペクトル，動径分布関数，平均自乗変位（水分子の拡散を解析）を算出した．系の分子数は64分子とし周期境界をかけ，温度は能勢フーバー法を用い300 Kに制御した．各系について15 psの計算を行い，振動スペクトルは各原子の速度の相関関数をフーリエ変換する方法と，系のダイポールモーメントをフーリエ変換する方法とにより計算した．その結果水と重水それぞれの混合系において，各原子や系が持つ振動数を比較することができた．
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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
エバネッセント波照射によるナノスケール熱流動計測および粗視化モデルによる分子動力学シミュレーションによる熱流動相互補完解析法の確立を目標として，二波長エバネッセント波自発ラマン散乱イメージング法による界面極近傍の分子濃度分布計測，ならびに粗視化モデル構築に向けた分子動力学シミュレーションを行い，今年度の進捗状況は概ね良好である．
①二波長エバネッセント波自発ラマン散乱イメージング法の開発による固体・液体界面極近傍における分子濃度分布計測：界面極近傍の水分子および重水分子の濃度分布の計測を行い，レイノルズ数に伴う濃度勾配変化を捉えることに成功した．
②Evanescent Wave for a Chip（EvaChip）の開発：熟練を要する界面熱流動計測を容易にするために，超小型レーザおよびアクリルを用いたエバネッセント波照射デバイスであるEvaChipの開発に成功した．従来のエバネッセント波照射法と同程度のエバネッセント波スポットを得ることが可能となった．
③水分子および重水分子に関する分子動力学シミュレーション：粗視化モデル構築に向けて，振動スペクトル，動径分布関数や平均自乗変位の算出に成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在まで連続体である熱流動の支配方程式に，人工的で物理的意味のない境界条件として与えていた壁面ゼータ電位や親水性・疎水性（滑り有無）等に関して，物理現象を的確に表現する熱流体ダイナミクス方程式として導入し，界面熱流動に関する理論の再構築を行う．そのために今後は，
①界面から約100 nmの深さ方向領域のみの水分子やイオン群挙動と界面性状との相関関係を実験的に明らかにするために，開発した二波長エバネッセント波自発ラマン散乱イメージング法を用いて，異なる波長域における分子やイオン群からのラマン散乱光を計測し，複数の分子の集合体を一つの粒子として扱う粗視化モデルに必要不可欠な物理量の時空間分布の取得を行う．
②固体表面上の親水基・疎水基の極近傍における水分子およびイオン群の振動スペクトルを考慮した粗視化モデルの開発を行う．計算領域を固体表面から100 nmの深さ方向領域まで拡張し，イメージング法では積算値（エバネッセント波を用いたとしても約100 nmの領域における物理量のバルク値となってしまう）として捉えていた，水分子やイオン群の挙動と振動スペクトルとの物理的関係を明らかにする．
③イメージング法と粗視化モデルを用いた相互補完解析法を確立し，界面極近傍のイオン群挙動に関する熱流体ダイナミクス方程式を導入して理論の再構築を行い，固体・液体界面および液体・液体界面における電位制御のみで，混合や分離の高効率化を達成する界面フルイディクスの提案を行う．
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