| 研究課題/領域番号 |
21K18604
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分13:物性物理学およびその関連分野
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
寺嵜 亨 九州大学, 理学研究院, 教授 (60222147)
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| 研究分担者 |
秋山 良 九州大学, 理学研究院, 准教授 (60363347)
堀尾 琢哉 九州大学, 理学研究院, 准教授 (40443022)
荒川 雅 九州大学, 理学研究院, 助教 (10610264)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2022年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
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| キーワード | 過冷却液体 / 液滴 / 真空 / 蒸発冷却 / 相転移 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は、真空中の液滴を扱う我々独自の実験手段で、従来困難だった過冷却深部の未踏領域の探索に挑戦する。例えば4℃での密度最大など、水の謎の解明は、物質科学から生命科学にまで波及する重要な課題である。この謎の主要因の一つが過冷却液体の科学の空白地帯にあることから、本手法で可能となる低温領域への新たなアプローチで、過冷却状態の高密度水－低密度水間の相転移など、水の相図問題に挑む。なお、この問題に取り組む戦略として、ポリオール混合溶液、塩添加溶液など水溶液系も対象とし、基本的な諸物性を明らかにする。これらの研究を通して、過冷却液体の科学の深化を図る。
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| 研究実績の概要 |
大気中では到達が困難な過冷却深部の探究を目的に、真空中に発生した直径およそ40μmの水液滴を対象に、急速な蒸発冷却過程の観察・解析に取り組んできた。液滴径の精密計測法として、ラマン散乱に現れる液滴外周に共鳴するWhispering Gallery Modeの検出を前年度から継続し、ついに液滴の蒸発速度の測定に成功した。さらに、時間を追って撮像した一連のレーザー散乱画像から、自動画像判定技術で凍結が進む速度を解析し、これまでに報告のない温度領域232－235 Kの均質凍結核生成速度を定量化した。さらに、最先端の超高速カメラを導入して液滴の形状変化を捉える新たな実験を展開し、液滴発生時に誘起された四重極振動の周期と減衰時間から、表面張力と粘度が室温よりも過冷却領域で増加することを実証した。以上のように、過冷却領域における水の蒸発速度、凍結核生成速度、表面張力、粘度を実測する成果を上げた。
一方で、実験結果の妥当性を検証する理論研究として、前年度から進めてきた分子動力学シミュレーションで、均質凍結核生成速度の温度依存性の評価に取り組んだ。さらに、本研究が注目する過冷却領域の水の第二臨界点仮説と関連して、水中の巨大分子の分子シミュレーションを進めた。低密度水と高密度水は、常温常圧では相分離しない。しかし、ポリオールの水和構造に関する結果から、巨大分子表面が疎水的な場合は低密度水が、親水的な場合には高密度水がトラップされやすいと推測した。水－巨大分子間の摩擦が親水的な表面で大きくなると予想し、表面のOH基の数を変えながら摩擦をシミュレーションした結果、親水性による摩擦の顕著な増大が実際に確認された。水に対する巨大分子表面の摩擦を原子ごとに分解する方法を考案し、表面近傍の水和状態と拡散係数との相関の解析などを進めている。さらに、周辺の関連した溶液論研究にも取り組んだ。
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