音響キャビテーション気泡の帯電メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 22K14609
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分29030:応用物理一般関連
• 研究機関: 日本女子大学
• 研究代表者: 李 香福 日本女子大学, 理学部, 助教 (50836632)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 音響キャビテーション気泡 / ソノルミネセンス / 帯電

研究開始時の研究の概要

音響キャビテーションは、産工業界では、半導体基板の洗浄、材料の凝縮・分散などに、医用ではガン治療、細胞内への遺伝子導入などに、環境分野では殺菌・有機物分解などの環境浄化に応用が期待され、研究が進んでいる。これらは、気泡が圧壊する際に起こる種々の化学的・物理的作用を活用したものであるが、まだ十分に解明されていない。特に、電気的性質についてはこれまで考慮されてこなかったが、本研究の先行研究で、電気的性質を有することが示唆された。そこで本研究では、気泡の極性の電場印加タイミングと溶液のpHへの依存性など検討し、気泡の帯電メカニズムを明らかにする。

研究実績の概要

本研究では、音響キャビテーション気泡の帯電メカニズムを研究している。先行研究では、水中のSL単一気泡（SBSL気泡）に直流電圧を印加してその時の気泡位置のずれ方向より、SBSL気泡がプラスに帯電していることを実験的に示された。さらに、印加した直流電圧強度が強い程、位置ずれは大きかった。また、気泡がSLを示す時間と位置ずれの移動距離の相関から、気泡が圧壊時に気泡内部で生成される化学反応物が、気泡の帯電に影響をすることが示唆された。化学反応物の帯電への影響を明確にするために、液体へ照射した超音波周期と同期した交流電圧を位相を変えならSBSL気泡へ印加した。印加交流電圧の最大値と最小値が気泡が最小径になるように位相を設定した場合、気泡の位置が電圧を印加しなかった場合の初期位置からずれた。気泡は最大値の時は電極から離れる方向に、最小値の場合は電極へ向かうように移動した。このことは先行研究のSL気泡へ直流電圧を印加した場合と同様にSL気泡がプラスに帯電していることを示唆する。また、気泡の位置がずれた時のSL信号を観察した結果、発光のタイミングと発光強度が変化した。最大値の場合は、発光タイミングは電圧を印加していない時より早まり、発光強度は減少した。最小値の場合は、発光タイミングが遅くなり、かつ、発光強度が増加した。この結果は、気泡の収縮膨張の1サイクルにおいて、気泡の帯電量に変動があることを示唆する。また、気泡が圧壊する時に気泡の帯電量が最も多いを示唆し、気泡圧壊する時の気泡内部で生成される化学反応物が帯電の要因であることを強く示唆する。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

液体側のpH濃度を調整し、液体側のイオンが気泡界面の電気極性を調べる実験で、各pH濃度で電気分解が起こらない最適な印加電圧範囲を設定するので試行錯誤があったため予定より研究が遅れている。

今後の研究の推進方策

溶液のpHへの依存性を調べ、気泡内部側と気液界面付近の溶液側の内、どちらが気泡の極性に支配的に働くかを検討する。さらに、液体の溶存ガスをArに置換した場合の電界強度依存性を調べ、気泡内部の化学反応生成物が帯電に及ぼす影響を評価する。