| 研究課題/領域番号 |
15H03919
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
茂田 正哉 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (30431521)
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| 研究分担者 |
田中 学 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (20243272)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | プラズマ / 超臨界流体 / ナノ粒子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、超臨界プラズマ環境におけるナノ粒子の合金化・複合化・有機修飾の手法を段階的に確立し、プラズマの流動特性と合成物の材料特性の相関を明らかにしながら、有機修飾複合ナノ粒子のワンステップ合成の実現を目指す。平成28年度は、複数の高速ビデオカメラと分光システムを用いてヘリウムアークプラズマや二酸化炭素アークプラズマに加えて鉄、クロム、マンガン等の金属蒸気プラズマの発光スペクトルを同時計測し、化学種の動的な輸送過程や電離状態を診断する手法を確立した。またプラズマ環境で豊富に存在する電子による粒子帯電を考慮したマルチスケールのナノ粒子群の集団成長をシミュレートするためのモデル構築を行い、帯電によって凝集成長が抑制されるために特にアークプラズマ近傍ではナノ粒子が小粒径となることを数値的に明らかにした。加えて、熱プラズマの乱流的挙動および輸送されるナノ粒子群をより正確にシミュレートするための計算手法を考案し、プラズマ外縁部において小粒径のナノ粒子が多数生成した後に拡散および凝集によって粒子数を減少させながら大粒径化することを非定常計算によって示した。さらにはプラズマを構成する重粒子温度と電子温度が異なる二温度性を考慮した数値シミュレーションを行い、アークプラズマを緊縮させるガス流を導入した場合のアークプラズマの電磁流体的な特性の調査を行い、特にプラズマ外縁部において熱非平衡性が顕著となることを明らかにした。
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| 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
平成28年度は、プラズマ画像分光計測システムの確立とプラズマ流動およびナノ粒子形成・輸送に関する理論的研究の方は概ね順調に進んでいると言える。また既に二酸化炭素の超臨界化と維持、その中での瞬間的なプラズマの生成には成功している。しかしながら、超臨界二酸化炭素は化学的に極めて高活性な場であるため、プラズマ生成時の電極消耗が速く、プラズマを安定的に維持することができていない。また消耗した電極材料がナノ粒子化していることは予想されるが、微量であるため検知が依然として困難である。これらのような問題に対して、電極部の大面積化によってプラズマ維持の安定化と生成粒子の多量化を図る予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、安定的なプラズマ生成・維持を目指し、電極部の改良および圧力調整を行う。同時に理論的・数値的な研究アプローチも継続し、超臨界プラズマ流動場におけるナノ粒子の形成メカニズムを明らかにするために平成28年度に構築した数値計算モデルの拡張を行う。超臨界状態のプラズマ相を表現できる数理モデルを構築するために原子・分子スケールの物理化学からマクロスケールの流体現象に渡るマルチスケール・マルチフィジックスモデルの構築を行っていく。また局所的なプラズマ相の温度を計測するために温度計測法も改良する。並行して現有のシュリーレン計測システムを適用して密度場を計測することで流動場の構造を明らかにする。合成物については、電子顕微鏡(SEM, TEM)を用いた粒径・形状観察とＸ線回折(XRD)を用いた組成分析により物質の同定と特性評価を行う。
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