先駆水和電子チャネル形成仮説による水中プラズマ超高速電荷移動機構の学理構築

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00743
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 岳彦 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10302225)
• 研究分担者: 杉本 俊之 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (10282237) ; 中林 孝和 東北大学, 薬学研究科, 教授 (30311195) ; 小宮 敦樹 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (60371142) ; 宮原 高志 静岡大学, 工学部, 教授 (70239432) ; 内田 諭 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (90305417)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ストリーマ / 水和電子 / スカベンジャー / 電荷 / 水 / ポテンシャル / レーザー / ラマン散乱分光

研究実績の概要

令和3年度はヨウ素を添加した水溶液中で，レーザーで生成した水和電子を発光吸収率により計測する方法を準備した．この手法は，紫外線のポンプ光を水に入射し，プローブ光の入射時間をわずかにずらすことで，プローブ光の吸収率の違いを検出し，水和電子の計測を行う手法である．この方法を用いて水中プラズマにより生成される水和電子の計測への展開を進めたが，プラズマによる化合物の分解などの問題があり，精度を十分に高められないことが判明した．そこでより高い精度で計測するため，新たにラマン散乱光の分析による水和電子の検出法の開発を進めた．ラマン計測用の中心波長532 nmの狭帯域レーザーを新たに購入し，水中放電の前駆現象を，高電圧を印加した電極先端部に形成し散乱光を計測した．これにより，水和電子に相当する波数1625 cm^-1 の散乱光が，－10 kV印加時に発現することを明らかにし，電極から電子が放出されることで水和電子が生成されることを世界で初めて示すことに成功した．さらに，平板上ストリーマ進展時のポテンシャル変位計測装置を改良し，水中もしくは水面や親水性材料表面で起こるストリーマ進展のポテンシャル変位を計測した．水を2重にしたフィルム間に注入しその一端の開放部に放電を発生させたところ，ストリーマはフィルム表面上を進行し，その進行位置に対応した電位変化が計測された．さらに，親水性フィルム表面上においても，ストリーマの進展速度は疎水性フィルム表面上と同等であることが明らかになった．ストリーマ進行前の電荷蓄積と思われる電位変化を特定できなかったが，化学手法や分光手法により水和電子が生成されていることが確認できていることから，電位変化の結果は，形成される電位や前駆時間が極めて小さいことを示唆した．

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Observation of the Formation of Multiple Shock Waves at the Collapse of Cavitation Bubbles for Improvement of Energy Convergence (2022)
  • 著者名/発表者名: Marc Tinguely, Kiyonobu Ohtani, Mohamed Farhat, Takehiko Sato
  • 雑誌名: Energies 巻: 15 (7) ページ: 2305/1～2305/12
  • DOI: 10.3390/en15072305
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Underwater streamers induced by microsecond pulsed discharge with bi-polarities (2022)
  • 著者名/発表者名: Siwei Liu, Yi Liu, Takehiko Sato
  • 学会等名: 2022年度（第23回）静電気学会春期講演会
• [学会発表] Influencing Factors on Microsecond-pulsed Discharge Mode in Water (2021)
  • 著者名/発表者名: Siwei Liu, Takehiko Sato
  • 学会等名: 5th International Symposium on Application of High-Voltage, Plasma & Micro/Nano (Fine) Bubbles to Agriculture, Aquaculture and Food Safety (ISHPMNB2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Chemical and Electrical Factors Induced by Double Plasmas on Cancer Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Chia-Hsing Chang, Honoka Taguchi, Ken-ichi Yano, Takehiko Sato
  • 学会等名: 8th International Conference on Plasma Medicine (ICPM8)
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation and experiment analysis of shock wave induced by underwater pulsed discharge (2021)
  • 著者名/発表者名: Siwei Liu, Yi Liu, Yijia Ren, Takehiko Sato
  • 学会等名: 第45回静電気学会全国大会
• [学会発表] Numerical Simulations of Membrane Deformation Induced by Cold Atmospheric Plasma with Circuit Analysis and Molecular Dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Iwata, Shota Yamauchi, Yuya Oishi, Ippei Yagi, Satoshi Uchida, Takehiko Sato
  • 学会等名: 21st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2021)
  • 国際学会
• [学会発表] The Effects of Atmospheric-pressure Cold Plasma Generated Electrical Field, Short-life Species, and Long-life Species on Cancer Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Po-Chien Chien, Chao-Yu Chen, Takehiko Sato, Yun-Chien Cheng
  • 学会等名: 21st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2021)
  • 国際学会
• [学会発表] An Innovative Method of Generating Plasma Microbubbles in Flowing Water (2021)
  • 著者名/発表者名: Mu-Chien Wu, Satoshi Uehara, Tomoki Nakajima, Takehiko Sato, Jong-Shinn Wu
  • 学会等名: 21st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Science of Ultrafine Droplet and High Speed Impact (2021)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Sato, Masao Watanabe, Takeru Yano, Yuka Iga, Kazumichi Kobayashi, Atsuki Komiya, Hidemasa Takana, Kiyonobu Ohtani, Junnosuke Okajima, Kenichi Funamoto, Yunchen Xiao, Tomoki Nakajima, Siwei Liu
  • 学会等名: 21st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Polarity Effects of Plasma-Induced Stimuli on Cell Viability (2021)
  • 著者名/発表者名: Airi Nakayama, Honoka Taguchi, Chia-Hsing Chang, Tomoki Nakajima, Siwei Liu, Takehiko Sato
  • 学会等名: 18th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2021)
  • 国際学会
• [学会発表] 水中プラズマにより生成された微細気泡の残留消滅過程 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤岳彦, 熊谷諒, 中嶋智樹
  • 学会等名: 日本機械学会第99期流体工学部門講演会
• [学会発表] プラズマを模擬した電気刺激に対する細胞応答 (2021)
  • 著者名/発表者名: 張家興, 矢野憲一, 奥村賢直, 佐藤岳彦
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会 シンポジウム3「プラズマによる生体荷電制御科学の進展」【応用】
  • 招待講演
• [学会発表] Formation and Measurement of Plasma Fine Bubbles (2021)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Sato, Satoshi Uehara, Ryo Kumagai, Takashi Miyahara, Masanobu Oizumi, Tatsuyuki Nakatani, Shiroh Ochiai, Takamichi Miyazaki, Hidemasa Fujita, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, Marc Tinguely, Mohamed Farhat
  • 学会等名: 12th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology (APSPT-12)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modeling of Spark Channel of Microsecond Pulsed Discharge in Water (2021)
  • 著者名/発表者名: Siwei Liu, Yi Liu, Takehiko Sato
  • 学会等名: 12th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology (APSPT-12)
  • 国際学会