| 研究課題/領域番号 |
18K04036
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| 研究機関 | 関西大学 |
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研究代表者 |
山本 健 関西大学, システム理工学部, 教授 (10370173)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 超音波キャビテーション / 球体破壊 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，超音波キャビテーション気泡を起因とした藻類，菌類及びカプセル等の球状物体の詳細な破壊メカニズムを解明することを目的としている．具体的には，数百kHz又は数MHzの超音波照射で発生する数μm～数十μmの多数の気泡が，どのような機構で球状物体に振動を励起するのかを解明する．また，球殻の弾性率や厚みが異なると，表面積変化率の周波数特性やQ値がどのように変化するかを実験的及び理論的に検証する ．
平成30年度は，球状微生物及びマイクロカプセルのサイズ分布評価による破壊過程の解明を行った．また，当研究室において開発したプロトタイプの超音波リアクターを改良し，溶液の温度，溶存気体濃度，周波数及び印可電力の把握・制御を可能にするシステムを作製した．照射可能な超音波周波数は30，40，100，200，400，600 kHz，及び1，2，3，4 MHzとし，10～50 W程度の音響パワーを得られるシステムである．超音波の周波数及び音響パワーを変えて30分照射し，球状物体の破壊率は顕微鏡を用いてセルカウトで算出した．また，ナノ粒子径分布測定装置を用いて，破壊過程におけるサイズ・形状分布を計測した．電子顕微鏡では，超音波照射前後の微生物の表面や形状変化を観察した．その結果，球状物体は，そのサイズと球殻の弾性率で決定される機械的共振周波数付近において顕著な破壊が見られた．このことから，球状物体の振動はキャビテーション気泡の呼吸運動によるずり応力によって励起される可能性が高いことが分かった．一方，電子顕微鏡における表面観察では，球殻が破裂したような共振による破壊の形跡と，周波数によっては球殻内部へ向かうような小さな穴が開いている球状物体も多数確認できた．これは，球体近傍の気泡が流体力学的非対称を感じた際に発生するマイクロジェットによる穴の可能性が考えられる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
既存の超音波リアクターの改良に関しては，溶液の温度，溶存気体濃度，周波数及び印可電力の把握・制御を可能にするシステムを作製することができた．概ね，目的のシステムを作製できたが，溶液温度や気体濃度の自動測定までには至っていない．照射可能な超音波周波数は30，40，100，200，400，600 kHz，及び1，2，3，4 MHzとし，10～50 W程度の音響パワーを得られるシステムを目指したが，30 kHzと4 MHzでは10 Wを超えるパワーを得られていない．電子顕微鏡観察では，電子ビームによるサンプル劣化が見られるため，観察時間が制限される問題がある．一方，マイクロカプセル作製を外注したが，サイズや分布の要求を満たすサンプルではなかった．
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| 今後の研究の推進方策 |
球状物体の物性測定及びそれらを用いた破壊メカニズムの理論的解明を行う予定である．走査型プローブ顕微鏡のフォースカーブや弾性率マッピングモードを用いて球状物体の弾性率を測定し，Shell modelによる微生物の各振動モードの共振周波数及び表面積変化率を計算する．呼吸振動する気泡から直接ずり応力を受けているのであれば，球状物体は4極振動モードで表面積変化率が最大となるはずであり，実験的な周波数特性から本理論の妥当性が検証できる．有限要素法を用いると高次の振動モードや楕円体振動もシミュレーションできる．
平成30年度の目標であった広帯域に渡って安定した音響パワーを得られる超音波リアクターの作製は継続する．また，マイクロカプセルの作製と観察方法の問題点は，材料を変更する等の検討を行う．
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