2016 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(矢上), 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(矢上), 教授 (00344127)
泰岡 顕治 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 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．前年度の結果より，石英ガラス表面に化学修飾を施し疎水性に変化させると，炭素のラマンスペクトルがラマンシフト全域に渡って影響を及ぼすことが明らかとなり，疎水性表面極近傍に存在する水分子および重水分子の拡散係数を実験的に評価することが困難であった．本年度は，石英ガラス表面にフッ素コーティングにより疎水性を実現させ，水分子および重水分子の混合溶液からのラマンスペクトルの取得を試みた．親水性表面の実験結果とは異なり，低ラマンシフト領域のラマン散乱光が大きくなったが，理論的に解釈することが困難であった．
２．そこで，固体表面に拘束されていないチャネル中央付近の水分子およびイオンから自発ラマン散乱光を，購入したイメージスプリッティング光学系，および様々なラマンシフトに対応したバンドパスフィルタを用いて，計測を行った．ラマンシフト毎，即ち，波長毎に，自発ラマン散乱形態が異なっていることが判った．古典物理では，自発ラマン散乱光の散乱形態に関しては，前方散乱や後方散乱，そして角度に依存した散乱が述べられているが，本年度の実験結果から，水の振動モードに応じて，散乱方向や散乱強度が著しく異なっていることが判り，古典物理では説明が不可能であると考えられる．換言すると，水分子の振動モードが，親水性や疎水性表面との相互干渉ばかりではなく，電解質溶液中に存在しているイオンとの相互干渉により，他の散乱からは全く想像できない散乱形態を有していることが想像できる．
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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
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およびイオンの濃度分布計測，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．前年度はまでは，親水性および疎水性表面極近傍に存在している水分子および重水分子からの自発ラマン散乱光をそれぞれ一つのバンドパスフィルタを用いて実験を行い，粗視化モデルに反映しようと試みていたが，本年度に新たな実験を行うことにより，あらゆる水の振動モードを考慮しない限り，相互補完解析法の確立は困難であることが判った．しかし，イメージスプリッティング光学系導入により，水の振動モードに応じた自発ラマン散乱光の散乱形態が世界で初めて解明されようとしており，その結果が，親水性および疎水性表面との相互干渉にまで拡張できると予想できる．
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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．前年度はフッ素コーティングを施し疎水性を実現させ，水分子および重水分子からのラマンスペクトルの取得に成功したが，本年度は，それぞれに対応したバンドパスフィルターを用いて，水・重水混合溶液中の濃度分布変化から，疎水性が分子拡散係数に及ぼう影響を定量的に明らかにする．その際，親水性を有する石英ガラスを用いて同一条件における実験を行い，比較検討を行う．恐らく，疎水基が水の振動モードに影響を及ぼすと考えられ，どの振動モード，即ち，どの波長において影響が顕著となるかを，2台のEM-CCDカメラを用いて特定する．この実験も親水性を有する石英ガラスを用いて同一実験条件下が行う．
２．電解質溶液を用いて，同様な実験を行う．特に，イオン混入により，水の振動モードが著しく変化すること考えられ，前年度の実験から，等吸収点が温度および濃度によって移動することが判ってきた．更に，ラマンシフト毎，即ち波長毎の自発ラマン散乱形態が異なっていることも前年度からの実験結果から判っており，本年度は，自発ラマンイメージングの取得結果より，水の振動モードと界面極近傍の拡散係数との関係を実験的に明らかにする．
３．水分子および重水分子，および親水性，疎水性表面について検討した粗視化モデルについて，粗視化分子シミュレーションを行い，拡散係数を原子レベルでの分子シミュレーション結果と比較し，更に，実験結果との補完を試みる．
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