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表面電荷密度マッピングが切り拓く相界面ナノフルイディクス

研究課題

研究課題/領域番号 22K14193
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分19020:熱工学関連
研究機関九州大学

研究代表者

手嶋 秀彰  九州大学, 工学研究院, 助教 (60906220)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワードケルビンプローブフォース顕微鏡 / 接触線 / 帯電 / 表面電荷密度 / 三相界線 / グラフェン / 相界面 / 固液界面 / KPFM
研究開始時の研究の概要

固体-液体-気体の異なる三相が重なる三相界線の理解は今でも不十分なままで、特に三相界線を固定するピニング現象は未だ完全な理解には程遠い。
本研究では、架橋グラフェン液体セルという新しい実験用デバイスを開発することで、今まで不可能であったケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)による固液界面および三相界線近傍の電荷密度マッピングの実現を目指す。これにより、実験的裏付けのある三相界線の新たなフォースバランスモデルの確立に向けた最初の一歩を踏み出す。

研究成果の概要

固体-液体-気体の異なる三相が相互作用しあう接触線の物理解明には、相界面の帯電状態を考える必要がある。本研究では、表面電位を計測できるケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)を基板技術として、ナノスケール相界面の基盤的知見を得ることを目指した。
液滴近傍の固気界面をKPFM計測した結果、約100μmにわたって最大1.0V負に帯電する領域が存在し、既知の固液接触帯電とは異なる物理機構で生じていることがわかった。接触線をまたいで固気・固液界面を同時にKPFM計測できる新規液体セルの構築の目途が立った。TEMやAFMを用いた研究も並行し、ナノ材料・多孔質内の流動現象など多くの知見を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

接触線近傍における特異な帯電を計測したのは世界初であり、接触線におけるフォースバランスといった熱・流体工学の長年の課題に新たな知見を提供するものである。また、水と固体面の相互作用から電力を直接抽出するブルーエネルギーの分野では接触線付近の固体面の帯電が特に重要であると予想されているが実測した例はなく、本研究結果が与えるインパクトは大きい。新規液体セルの構築が完了すればより定量的な知見を提供でき、その波及範囲は熱流体工学の垣根を越えてナノ流体工学・金属腐食工学・電気化学・界面科学など極めて広い。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Nano-captured water affects the wettability of cellulose nanofiber films2024

    • 著者名/発表者名
      Misaka Masumi、Teshima Hideaki、Hirokawa Sota、Li Qin-Yi、Takahashi Koji
    • 雑誌名

      Surfaces and Interfaces

      巻: 46 ページ: 103923-103923

    • DOI

      10.1016/j.surfin.2024.103923

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crack expansion dynamics of freeze-dried soybean curd during rehydration2024

    • 著者名/発表者名
      Hirakawa Mai、Teshima Hideaki、Ikuta Tatsuya、Takahashi Koji
    • 雑誌名

      Food Science and Technology Research

      巻: 30 号: 3 ページ: 295-303

    • DOI

      10.3136/fstr.FSTR-D-23-00230

    • ISSN
      1344-6606, 1881-3984
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimizing the methodology for accurate and accessible slip length measurement with atomic force microscopy2024

    • 著者名/発表者名
      Ishida Haruya、Teshima Hideaki、Li Qin-Yi、Takahashi Koji
    • 雑誌名

      International Journal of Thermofluids

      巻: 22 ページ: 100634-100634

    • DOI

      10.1016/j.ijft.2024.100634

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nanoscale Contact Line Pinning Boosted by Angstrom-Scale Surface Heterogeneity2023

    • 著者名/発表者名
      Heima Yuta、Teshima Hideaki、Takahashi Koji
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 14 ページ: 3561-3566

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c00428

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Crack Propagation Mechanism of Freeze-Dried Soybean Curds during the Rehydration Process2023

    • 著者名/発表者名
      Mai Hirakawa、Hideaki Teshima、Tatsuya Ikuta、Koji Takahashi
    • 学会等名
      76th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of AFM Measurement Method for Slip Length Considering the Effect of Electric Double Layer Force2023

    • 著者名/発表者名
      Haruya Ishida、Hideaki Teshima、Koji Takahashi
    • 学会等名
      Micro and Nano Flows Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermally Induced Nucleation, Growth, and Dissolution of Surface Nanobubbles2023

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima、Qin-Yi Li、Koji Takahashi
    • 学会等名
      Micro and Nano Flows Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Investigation of Solid-Liquid Interfacial Phenomena at the Nanoscale2023

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima
    • 学会等名
      10th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experimental Investigation of Solid-Liquid-Gas Interfacial Phenomena at the Nanoscale2023

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Teshima
    • 学会等名
      2024 I2CNER Annual Symposium Thrust Workshop ~Advanced Energy Materials Thrust & Multiscale Science and Engineering for Energy and the Environment Thrust~
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] AFMを用いた固液界面のナノスケール気相計測とその信頼性2023

    • 著者名/発表者名
      手嶋秀彰、高橋厚史
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第79回学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 温度変化に誘起される界面ナノバブルとマイクロパンケーキのダイナミク2023

    • 著者名/発表者名
      手嶋秀彰、高橋厚史
    • 学会等名
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 界面ナノバブルの安定性と内圧に関する実験的研究2023

    • 著者名/発表者名
      手嶋秀彰、永野箇実、高橋厚史
    • 学会等名
      日本機械学会 熱工学コンファレンス2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ケルビンプローブフォース顕微鏡法を用いた固気液三相接触線近傍の帯電現象に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      石原佑樹、手嶋秀彰、高橋厚史
    • 学会等名
      日本機械学会 第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-01-30  

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