| 研究課題/領域番号 |
22KJ2400
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| 補助金の研究課題番号 |
21J21976 (2021-2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2021-2022) |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
廣川 颯汰 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 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 |
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
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| キーワード | グラフェン液体セル / 透過型電子顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / ナノスケール流体 / 固気液三相界線 / グラフェン / 圧力 / 三次元形状 / ピニング / ナノフルイディクス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ナノスケール空間に封入された液体は，固体面との相互作用の影響が大きくなるため，マクロスケールと異なる特異な挙動を見せる．この特異な挙動とナノ材料を組み合わせることで流体機器の性能を向上させることが期待されており，特に高い除熱性能を誇る相変化冷却デバイスをナノ流路を用いて小型化することは，電子機器の高発熱密度化への対応策として注目されている．実現のためにはナノスケール空間内部での流動及び沸騰現象を理解する必要があるが，実験的知見の不足が課題である．本研究では最も薄い材料であるグラフェンの間に液体を封入し，その流動や沸騰の様子を高い空間・時間分解能で観察することで新しい熱制御技術の創出を目指す．
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| 研究実績の概要 |
ナノ空間内に封入された液体は固体壁面との相互作用の影響を強く受けるためにバルクとは異なる挙動・性質を示すことが知られており，これを利用して新たな流体機器の創出を目指す研究が盛んに行われている。本研究ではナノ空間内部の流体挙動をグラフェン液体セル（GLC）を用いた透過型電子顕微鏡（TEM）による直接観察で明らかにすることを目的とした。
最終年度に当たる本年は，昨年度末に実施したGLCの３次元形状と内圧の原子間力顕微鏡（AFM）による測定結果をまとめて顕微鏡関連研究で高い評価を得ている雑誌から発表した。また，過去に発表した２つのナノ空間における特異な現象を，AFMで明らかになったGLCの形状を踏まえて再考察した。ナノ空間における気体分子の非拡散的挙動や非接触でのピニングの発生の原因を「GLCの上下のグラフェンの間隔が数nmしか無いと考えられるため，水分子の大半が固体面近傍で整列構造を取るため」と過去に考察していたが，AFMによるGLCの測定結果はこの考察を補強するものである。更に，昨年度に作成した井戸型のGLCを発展させ，幅数100 nm，長さ数μmの穴の上下をグラフェンで挟み込んだチャネル型のGLCの作成にも挑んだ。
研究期間全体を通し，数nmスケールの空間内での流体挙動の実験的研究にグラフェン液体セルの使用が有効であることを示せた。具体的には，気体分子の非拡散的挙動や非接触でのピニングといった，従来の手法では時空間解像度が不足しているために観察不可能であった現象を新たに発見することができた。さらに，グラフェン液体セルを用いた研究を促進するため，グラフェン液体セルの内部圧力と３次元形状の関係性を調査した。3年間の研究の成果は学会発表やおよび学位論文を通じて公表されている。
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