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界面分子濃度プローブと多光子吸収濃度変調によるマランゴニ対流の初生解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K14647
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関静岡大学

研究代表者

水嶋 祐基  静岡大学, 工学部, 助教 (30844716)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 交付 (2021年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードフェムト秒パルスレーザー / マランゴニ対流 / 光ファイバー / 光線追跡 / 濃度差マランゴニ対流 / 光ファイバープローブ
研究開始時の研究の概要

濃度差マランゴニ対流(CoMC)は半導体結晶の高純度化や熱交換器の伝熱促進等,幅広い分野で応用が進む一方,その流動特性の実験的解明は十分でない.そこで界面活性剤水溶液におけるCoMCをナノレベルで制御,時間分解計測する.まず界面分子濃度プローブ(LMDP)を開発し,静的な条件下にて界面で吸着・脱離を繰り返す活性剤の瞬時濃度とその時間変動を測定する.次に,フェムト秒パルスレーザー(fsパルス)照射により高い再現性でCoMCを誘起し,LMDPの濃淡検出周波数から界面流速とCoMCの初生(=濃度変調に対する応答時間,時定数)を計測することで,CoMCの素過程を明らかにする.

研究実績の概要

濃度差マランゴニ対流(CoMC, Concentration Marangoni Convection)は半導体結晶の高純度化や熱交換器の伝熱促進等,幅広い分野で応用が進む一方,その流動特性の実験的解明は十分でない.そこで界面活性剤水溶液におけるCoMCをナノレベルで制御,時間分解計測する.まず,界面分子濃度プローブ(LMDP,Liquid-surface Molecular Densitometry Probing)を開発し界面で吸着・脱離を繰り返す活性剤の瞬時濃度とその時間変動を測定する.次に,フェムト秒パルスレーザー(fsパルス)の多光子吸収濃度変調(MCM, Multiphoton absorption Concentration Modulation)でCoMCを誘起し,LMDPの濃淡検出周波数から界面流速とCoMCの初生(=濃度変調に対する応答時間,時定数)を詳細に考察する.

当該年度では、昨年度の結果を受けて界面近傍に生じる光の反射現象を精密に取得可能な光ファイバーセンサの形状を決定し、LMDPを実際に製作する段階に移行した。また、fsパルス照射にてMCMを気液界面中に起こす実験を開始し、照射条件や再現性を調査した。

後述の進捗状況を受け、fsパルスによる界面制御技術に関する基礎実験を行った。fsパルスの照射条件と被照射物との相互作用に関する知見を得る目的として、パルス照射点に生じる微小プラズマとそれに伴う化学反応を調査した。この結果、fsパルスが水分子の結合を解くことでプラズマが起こり、直ちに水素を生成することを明らかにした。これを新たな水素生成技術として論文化・特許化した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当該前年度に苦慮した、透明材の表面にfsパルスを干渉させる方法の構築について、空間光位相変調モジュールを導入することで実験の改善を見込んでいた。
しかし、昨年度以前から続く半導体の供給不足を受け、同モジュールの導入に想定よりも遅れが生じてしまった。このため当該年度中に計画していたMCM技術の構築は未達となった。

今後の研究の推進方策

必要な装置導入は完了しているため、次年度のエフォート調整により計画を遂行する。

報告書

(2件)
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書

研究成果

(5件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Electrodeless hydrogen production from seawater using femtosecond laser pulses2022

    • 著者名/発表者名
      Akira Kuwahara, Yuki Mizushima, Makoto Matsui, Tomoki Kozuka, Nobuyuki Mase
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 12 ページ: 9304-9309

    • DOI

      10.1039/d2ra01337a

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Simultaneous measurement of film thickness and wave velocity in liquid-film flow with an optical fiber probe, micro-fabricated by a femtosecond pulse laser2021

    • 著者名/発表者名
      Hajime Furuichi and Yuki Mizushima
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Science

      巻: 241 ページ: 1-14

    • DOI

      10.1016/j.ces.2021.116704

    • NAID

      120007146065

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] A newly developed method of direct hydrogen production from seawater using femtosecond pulse laser2022

    • 著者名/発表者名
      Mizushima Yuki, Kuwahara Akira, Matsui Makoto, Kozuka Tomoki, Mase Nobuyuki
    • 学会等名
      International Chemical Engineering Symposia 2022
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] 静岡大学教員データベース

    • URL

      https://tdb.shizuoka.ac.jp/rdb/public/Default2.aspx?id=11281&l=0

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
  • [産業財産権] 水素ガス製造方法および水素ガス製造装置2021

    • 発明者名
      桑原彬、水嶋祐基、松井信、間瀬暢之
    • 権利者名
      桑原彬、水嶋祐基、松井信、間瀬暢之
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-188100
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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