| 研究概要 |
本研究は,界面や物質中にナノ構造を人為的に配置することによって,物質自体を変えることなく,そのナノメートルスケールの幾何的構造だけを変えることによって,固液界面熱抵抗や熱伝導率に及ぼす影響について明らかにすることを目的とした.一般的な固液界面を考えて,完全な平面の場合とナノ構造が界面に存在している場合に,系の温度勾配ならびに界面での温度ジャンプを分子動力学によって計算することにより,巨視的な熱抵抗を計算し,その変化を定量的に評価した.ナノ構造として,ナノ加工を想定し,下壁面とナノ構造と液体分子間のポテンシャルが同一の場合を検討し,界面熱抵抗がどのように変化するかを調べた.さらに,完全平面の熱抵抗とナノ構造が付着した界面の熱抵抗の比が,その表面積比に対してどのように変化するかを調べた結果,固体-液体分子間の相互作用の大きさによっては表面積比を大きく上回る割合で界面熱抵抗が低下することが分かった.
固体中にナノメートルスケールの構造あるいは空孔が存在する場合に,そのスケールや配置によってどのように固体の熱伝導率が変化するかについて,定量的に評価した.さらに,ナノ構造間隔に依存した熱伝導率変化が,分子動力学解析によって計算されたフォノンの状態密度・分散関係とどのような相関があるかを考察した.その結果,規則的に配列するナノ構造はその間隔に依存したフォノン平均自由行程の減少により熱伝導変化に影響を及ぼすが,分散関係の変化は小さいことが分かった.
以上のような知見により,ナノ構造はエネルギー輸送における分子移動による寄与と分子間相互作用による寄与の双方に影響を与え,固体中においては後者が支配的でありその寄与を低下させること,固液界面においては両方が寄与するが,表面積比以上の熱抵抗低下現象は主に分子移動によるエネルギーが促進された場合であることが分かった.
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