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カーボンナノチューブの伝熱に関する分子動力学法シミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号 17656072
研究種目

萌芽研究

配分区分補助金
研究分野 熱工学
研究機関東京大学

研究代表者

丸山 茂夫  東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (90209700)

研究期間 (年度) 2005 – 2006
研究課題ステータス 完了 (2006年度)
配分額 *注記
3,500千円 (直接経費: 3,500千円)
2006年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2005年度: 2,400千円 (直接経費: 2,400千円)
キーワードカーボンナノチューブ / 分子動力学法 / 熱伝導 / 界面熱抵抗 / 伝熱 / 分子動力学
研究概要

常温における単層カーボンナノチューブの熱伝導をTersoff-Brenner型の炭素原子間ポテンシャルを用いた分子動力学法によって計算した.従来の計算では,短いナノチューブに周期境界条件を課して無限長のナノナノチューブを模擬し,様々な手法による漸近特性によって熱伝導率を求めていた.それに対し,本研究ではカーボンナノチューブの両端に熱浴を設置し,非平衡分子動力学シミュレーションを行うことで,有限長の単層カーボンナノチューブの熱伝導を解析した.幅広い長さ範囲に渡り熱伝導計算を行うことによって,弾道的熱伝導から拡散・弾道的熱伝導への遷移過程を捉えることに成功し,単層カーボンナノチューブの応用上非常に重要となる熱伝導の長さ依存性の詳細を明らかにした.また,単層カーボンナノチューブと曲率のないグラフェンシートの熱伝導率の長さ依存性を比較することにより,フォノン状態密度の弾道的熱伝導及び拡散熱伝導への寄与を明らかにした.さらに,熱伝導率のナノチューブ直径依存性を計算することで,異なる直径におけるフォノン散乱による拡散効果の役割を議論した.
また,単層カーボンナノチューブの非定常熱伝導の計算を,フェムトレーザーによる加熱を想定して行った.フェムトからピコ秒程度の局所的パルス加熱を行った結果,波動的熱伝導が観測された.この熱波に寄与する単層カーボンナノチューブの振動モードをウェーブレット解析を用いて明らかにし,その波動的特性を検証した.さらに,単層カーボンナノチューブに同位体が混入した場合の熱伝導への影響を検証した.疑一次元構造体の熱伝導への同位体超格子構造の影響を計算し,ある超格子構造の周期幅において有効伝導率が最小値を示し,合金の熱伝導率よりもさらに低い熱伝導率を達成することが可能であることを示した.

報告書

(2件)
  • 2006 実績報告書
  • 2005 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2007 2006 2005

すべて 雑誌論文 (12件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] A study on the thermal resistance over solid-liquid-vapor interfaces in a finite-space by a molecular dynamics method2007

    • 著者名/発表者名
      C.S.Wang, J.S.Chen, J.Shiomi, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Int. J. Therm. Sci. (印刷中)

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] A molecular dynamics study of the effect of a substrate on catalytic metal clusters in nucleation process of single-walled carbon nanotubes2007

    • 著者名/発表者名
      Y.Shibuta, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Chem. Phys. Lett. 437

      ページ: 218-223

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Anisotropic Heat Transfer of Single-Walled Carbon Nanotubes2006

    • 著者名/発表者名
      S.Maruyama, Y.Igarashi, Y.Taniguchi, J.Shiomi
    • 雑誌名

      J. Therm. Sci. Tech. 1-2

      ページ: 138-148

    • NAID

      130000099327

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Non-Fourier heat conduction in a single-walled carbon nanotube : Classical molecular dynamics simulations2006

    • 著者名/発表者名
      J.Shiomi, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B 73

      ページ: 205420-205420

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Heat conduction of single-walled carbon nanotube isotope superlattice structures : A molecular dynamics study2006

    • 著者名/発表者名
      J.Shiomi, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B 74

      ページ: 155401-155401

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics of Generation Process of Double-Walled Carbon Nanotubes from Peapods2006

    • 著者名/発表者名
      Y.Shibuta, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Heat Transfer-Asian Research 35-4

      ページ: 254-264

    • NAID

      110005051644

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Method for Micro/Nano Systems2006

    • 著者名/発表者名
      S.Maruyama
    • 雑誌名

      Handbook of Numerical Heat Transfer (印刷中)

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] Trampoline motions in Xe-graphite (0001) surface scattering2005

    • 著者名/発表者名
      Y.Watanabe, H.Yamaguchi, M.Hashinokuchi, K.Sawabe, S.Maruyama, Y.Matsumoto, K.Shobatake
    • 雑誌名

      Chem.Phys.Lett. 413

      ページ: 331-334

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] Non-Fourier Heat Conduction of Single-Walled Carbon Nanotubes2005

    • 著者名/発表者名
      J.Shiomi, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Therm.Sci.Eng. 13-4

      ページ: 89-90

    • NAID

      10019038462

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] Thermal Boundary Resistance at an Epitaxially Perfect Interface of Thin Films2005

    • 著者名/発表者名
      S.-H.Choi, S.Maruyama
    • 雑誌名

      Int.J.Therm.Sci 44-6

      ページ: 547-558

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] 単層カーボンナノチューブの熱伝導2005

    • 著者名/発表者名
      丸山茂夫
    • 雑誌名

      熱物性 19-3

      ページ: 185-191

    • NAID

      10015645866

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [雑誌論文] 分子動力学シミュレーション2005

    • 著者名/発表者名
      丸山茂夫
    • 雑誌名

      応用数学ハンドブック

      ページ: 361-380

    • 関連する報告書
      2005 実績報告書
  • [図書] olecular Dynamics Method for Micro/Nano Systems, Handbook of Numerical Heat Transfer, Chapter 212006

    • 著者名/発表者名
      S.Maruyama
    • 出版者
      John Wiley and Sons, Inc. Hoboken, New Jersey
    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [図書] マイクロ・ナノ熱流体ハンドブック2006

    • 著者名/発表者名
      丸山茂夫(編集代表)
    • 総ページ数
      696
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス出版
    • 関連する報告書
      2005 実績報告書

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公開日: 2005-04-01   更新日: 2016-04-21  

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