| 研究課題/領域番号 |
19H02074
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
戸谷 剛 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00301937)
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| 研究分担者 |
小林 一道 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 分子内振動の緩和 / 溶剤の赤外線吸収帯 / 溶剤乾燥 / 赤外線連続照射 / 気液界面 |
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| 研究実績の概要 |
本年度(-2021年3月31日まで)は、(2020-1)溶剤の気液界面に赤外線を連続照射した時の緩和挙動の把握と蒸発量の測定と(2020-2)分子動力学法とボルツマン方程式解析による溶剤の蒸発量の計算、を行った。
(2020-1)では、トルエン、IPAの赤外線吸収波長に赤外線を連続照射するメタマテリアル（MIMエミッタ）を設計・製作し、作成したMIMエミッタがトルエン、IPAの赤外線吸収波長で赤外線を放射することを確認した。また、このMIMエミッタを用いてトルエンの乾燥実験を行い、赤外線放射量あたりのトルエンの蒸発量の測定に成功した。これらの研究成果は、溶剤が吸収する赤外線を気液界面の溶剤分子に連続照射して分子内振動を励起し、分子内振動が分子間振動へ変換(緩和)される挙動を明らかにするとともに、溶剤の乾燥に効果的な波長を明らかにする最終目標を実現するために欠かせない重要な成果である。
(2020-2)では、アルゴンの気液界面における液体側のアルゴン原子を赤外線で加熱をした系に対し分子動力学法による解析を行い、気液界面の境界条件（気体論境界条件）を求めることに成功した。この境界条件をボルツマン方程式を用いた解析に用いることで、蒸発量の計算が可能になる。この境界条件を求める方法は、水、トルエン、IPAなどの溶剤の気液界面での境界条件を求めることができる手法であり、溶剤の乾燥に効果的な赤外線吸収帯を明らかにするための重要な成果である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
(2020-1)では、計画通り、溶剤の吸収波長に赤外線を連続放射するMIMエミッタの製作と、トルエンの乾燥実験を行うことができたが、計画していた溶剤の気液界面に赤外線を連続照射した時の緩和挙動を明らかにする実験を十分に行うことができなかった。溶剤の吸収波長に赤外線を連続放射するMIMエミッタの製作が遅れたためである。MIMエミッタの製作には、Advantest社製の電子線描画装置を使用する必要があり、Advantest社製の電子線描画装置を共用で利用できる東京大学と京都大学への出張を、新型コロナウイルス感染拡大を防止するため自粛する必要があったためである。
(2020-2)では、ボルツマン方程式に対する気液界面の境界条件(気体論境界条件)を求め、この気体論境界条件を課したボルツマン方程式解析から蒸発量を計算できているので、おおむね順調に進展していると言える。ただ、（2020-1）の溶剤の気液界面に赤外線を連続照射した時の緩和挙動の解明が遅れていることに伴い、緩和挙動を組み込んだ分子動力学法の開発がやや遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
やや遅れてはいるものの、おおむね研究計画通り進んでいるので、大きく研究計画は変更せず、次年度(-2022年3月31日まで)は、引き続き、下記の2項目を行う。
(2021-1)溶剤の気液界面に赤外線を連続照射した時の緩和挙動の把握と蒸発量の測定
(2021-2)分子動力学法とボルツマン方程式解析による溶剤の蒸発量の計算
(2021-1)では、溶剤の気液界面に赤外線を連続照射した時の緩和挙動を、溶剤の吸収波長に赤外線を連続放射するMIMエミッタをポンプ光源に 、溶剤とリファレンスにプローブ光を照射した時の反射光をATR法によって検出器で検出し、FT-IRでスペクトル処理し、ポンプ光源のある場合とない場合の反射スペクトルの違いを比較することから、明らかにする。また、分子間振動に効果的な波長を放射するメタマテリアル(MIMエミッタ)を作成し、溶剤の蒸発速度を測定する。
(2021-2)では、(2021-1)で得られた緩和挙動を組み込んだ分子動力学法を開発してボルツマン方程式に対する気液界面の境界条件(気体論境界条件)を求め、この気体論境界条件を課したボルツマン方程式解析から蒸発量を計算し、赤外線吸収帯ごとに比較することで、溶剤の乾燥に効果的な赤外線吸収帯を明らかにする。また，(2021-1)の溶剤の乾燥実験で得られた蒸発速度と解析で得られた蒸発速度を比較して，計算手法の妥当性を検討する 。更に、各溶剤分子の蒸発機序について、ミクロスケール (個々の分子の振舞い)とマクロスケール(分子集団としての振舞い)双方からその詳細を明らかとし、本申請課題の溶剤蒸発システムの有効性を示す。特に，気体分子の乾燥プロセスにおける影響についても検討する。
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