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固液界面ナノバブル周辺の分子間力分布計測を基盤とする新たな界面工学への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号 18J11880
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 熱工学
研究機関九州大学

研究代表者

手嶋 秀彰  九州大学, 工学府, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード界面ナノバブル / マイクロパンケーキ / 吸着気体分子層 / 水和構造 / ピニング / 固液界面 / ナノバブル / FM-AFM / 分子間力 / 濡れ性
研究実績の概要

本年度は昨年度に引き続き、従来の方式よりはるかに高感度な周波数変調型原子間力顕微鏡(FM-AFM)を用いて高配向性グラファイト(HOPG)-純水界面に存在する気相の高分解能イメージングを行った。探針の濡れ性や振動振幅を最適化することで、マイクロパンケーキと呼ばれる数 nmの均一な厚みを持つ気相に加えて、従来の計測手法では観察できなかった気体分子の吸着層を観察することができた。また、気体分子の吸着層には基板表面の結晶構造に影響を受けて整列する整列層とその上を覆うように存在する非整列層の2種類が存在することが明らかになった。非整列層の上に現れたマイクロパンケーキは探針の動きに沿って移動するが、その可動性は非整列層の縁で制限されることがわかった。この結果は、吸着気体分子層がHOPG表面にナノスケールの凹凸を作ることでピニングを引き起こし、現行の安定性理論の鍵であるにも関わらず未だ全く解明されていない界面ナノバブルの強いピニングの起源となり得ることを示す重要な知見である。
並行して、微小振動するAFM探針をz・x方向に走査した際の共振周波数の変化を記録する分子間力分布計測を行うことで、固液界面近傍の2次元周波数シフトカーブを得た。吸着気体分子層がない界面では水和構造(固体表面近傍にのみ現れる水分子密度が垂直方向へ周期的に変化する構造)の水分子密度に由来する周波数シフトが観察された一方、吸着気体分子層がある場合はその気体分子密度に由来する周波数シフトが観察された。得られた周波数シフトカーブを比較した結果、吸着気体分子層の各層は水和構造内の水分子が疎な領域に位置し、水分子が密な領域(水和層)に挟まれるように存在していることが示唆された。これらの研究成果は界面ナノバブルの物理のみならず疎水性相互作用に代表されるナノスケールの界面現象の根本的理解に資すると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 6件)

  • [国際共同研究] ウォータールー大学(カナダ)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Adsorbed gas layers limit the mobility of micropancakes2019

    • 著者名/発表者名
      Teshima Hideaki、Takata Yasuyuki、Takahashi Koji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 115 号: 7 ページ: 071603-071603

    • DOI

      10.1063/1.5113810

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] INFLUENCE OF SURFACE WETTABILITY AND NANOSTRUCTURE ON THE GENERATION OF INTERFACIAL NANOBUBBLES2018

    • 著者名/発表者名
      Teshima Hideaki、Nishiyama Takashi、Takata Yasuyuki、Takahashi Koji
    • 雑誌名

      Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference

      巻: 19 ページ: 6909-6914

    • DOI

      10.1615/ihtc16.nmt.022210

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 固液界面ナノバブルの実験について2018

    • 著者名/発表者名
      高橋 厚史、手嶋 秀彰
    • 雑誌名

      伝熱

      巻: 57 ページ: 11-19

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [学会発表] Experimental Study on Adsorbed Gas Layers by Using Frequency Modulation Atomic Force Microscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima
    • 学会等名
      Thermal Issues for Hydrogen and New Refrigerants for Energy Systems-Hydrogenius and I2CNER Joint Research Symposium
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Study on Adsorbed Gas Molecules at the Graphite-Water Interface2019

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima、Yasuyuki Takata、Koji Takahashi
    • 学会等名
      17th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mobility of micropancakes on adsorbed gas layers2019

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima、Naoto Nakamura、Yasuyuki Takata、Koji Takahashi
    • 学会等名
      The Second Pacific Rim Thermal Engineering Conference
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Generation of Interfacial Nanobubbles Controlled by Surface Wettability2018

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima, Takashi Nishiyama, Yasuyuki Takata, Koji Takahashi
    • 学会等名
      12th MicronanoSystem Workshop
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Influence of Surface Wettability and Nanostructure on The Generation of Interfacial Nanobubbles2018

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima, Takashi Nishiyama, Yasuyuki Takata, Koji Takahashi
    • 学会等名
      The 16th International Heat Transfer Conference
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Disordered Gas Domain on Ordered Gas Layer2018

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima, Koji Takahashi
    • 学会等名
      NANOBUBBLE 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 親水ー撥水複合面が固液界面ナノバブルの生成に与える影響2018

    • 著者名/発表者名
      手嶋 秀彰、西山 貴史、高田 保之、高橋 厚史
    • 学会等名
      第55回日本伝熱シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] AFMプローブの濡れ性に依存する界面ナノバブル計測の信頼性2018

    • 著者名/発表者名
      手嶋 秀彰、西山 貴史、高田 保之、高橋 厚史
    • 学会等名
      混相流シンポジウム 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 液中周波数変調AFMによるグラファイト表面に吸着した気体分子の測定2018

    • 著者名/発表者名
      手嶋 秀彰、中村 直斗、高田 保之、高橋 厚史
    • 学会等名
      日本機械学会熱工学コンファレンス 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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