| 研究課題/領域番号 |
19K15452
|
|---|
| 研究機関 | 日本女子大学 |
|---|
研究代表者 |
李 香福 日本女子大学, 理学部, 助教 (50836632)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 音響キャビテーション気泡 / ソノルミネセンス / 帯電 |
|---|
| 研究実績の概要 |
音響キャビテーション気泡は様々な分野への応用が期待され研究が行われている。音響キャビテーション気泡のより有効な適用には、気泡の動力学、圧壊時に生じる物理的・化学的作用など、気泡性質を解明する必要があるが、まだ十分に解明されていない。特に、音響キャビテーション気泡の電気的性質については報告例がない。本研究の目的は、音響キャビテーション気泡の電気的性質について明確にすることである。具体的には、空間・時間的に安定な発光、ソノルミネセンス（SL）を示す単一気泡に白金電極を使用して電界を印可し、電界下での気泡位置を写真と動画撮影から求め、気泡の極性を検討する。気泡が極性を持っていない場合、電界印加による気泡の位置ずれは起こらないが、極性を持っている場合は、第1ビヤークネス力と静電気力の平衡点へ気泡の位置がずれるはずである。令和元（2019）年度は、SL単一気泡（SBSL気泡）が電気的に帯電しており、かつプラスに帯電していることがわかった。帯電量はSL時間に依存する実験結果が得られ、気泡圧壊時の気泡内部で生成される化学反応物が気泡帯電へ影響を及ぶすることが示唆された。また、電気的帯電している気泡は電界印加によって気泡の膨張・収縮が変化し、SLの強度も変化することが確認できた。この結果は電界印加方法による気泡ダイナミクスと発光強度の制御可能性を示唆した。令和2（2020）年度は、SBSL気泡の電荷量をシミュレーションより見積もった。電場下のSBSL気泡は定在波音圧から第1ビヤークネス力と静電気力の平衡点へ気泡の位置がずれる。音圧をうけ振動する気泡の運動を表すKellerの式を用いてPhythonより平衡点での第１ビヤークネス力を求めた。シミュレーションによる平衡点での第１ビヤークネス力と平衡点での電場強度測定結果よりSBSL気泡の電荷量を約2pCと見積もることができた。
|
| 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
コロナ感染症流行によって実験装置の使用が制限されたため、当初の予定より進歩が遅れている。令和2（2020）年度は、Phython を利用してSBSL気泡の電荷量をシミュレーションで見積もった。電場下のSBSL気泡は定在波音圧から第1ビヤークネス力と静電気力の平衡点へ気泡の位置がずれる。音圧をうけて振動する気泡運動を表すKellerの式を用いてPhythonより平衡点の第１ビヤークネス力を求めた。ハイドロフォンよりSBSL気泡位置での音圧を測定した。SBSL気泡へレーザーを照射したときの、散乱光強度結果と、初期気泡径が2～10μmの場合のシミュレーション結果を比較することで、初期気泡径を予測した。また、気泡への電界印加用の白金電極間の電場分布を測定した。Pythonのシミュレーションより求めた平衡点での第１ビヤークネス力と平衡点での電場強度測定結果からSBSL気泡の電荷量は約2pCと見積もることができた。
|
| 今後の研究の推進方策 |
引き続き、気泡の帯電要因を明確にするため、試料の溶存ガス種とpH、また電界印加タイミングへの依存性などを測定する。具体的には、溶存空気をアルゴンなど希ガスに置換し、過酸化水素、亜硝酸などの化学反応物の発生を抑制する。発光時間と帯電量に相関があることから、溶存ガス種依存性を調べることで、気泡内部で生成された化学反応物の気泡帯電へ影響を明確にすることができると考える。また、微量の塩酸(HCl)や水酸化ナトリウム(NaOH)の添加より溶液のpHを調整する。水中を浮遊するマイクロバブルは、負の電荷を帯びているとされており、液体中のＨ+イオンとＯＨ-イオンが決定的な要因であるとされている。そこで、試料のイオン濃度が音響キャビテーション気泡の極性へ影響するかを検討する。さらに、電界印加タイミング依存性を調べる。音響キャビテーション気泡は
周期的に膨張・圧縮を繰り返す。超音波と同期した交流電圧を位相を変えながら印加した場合の気泡の位置ずれや気泡ダイナミックスを測定し、気泡の1サイクル中の極性、帯電量変化を調べる。測定結果より、気泡の膨張・収縮のどの過程が気泡の極性にもっとも影響するのかを調べる。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
令和2年度はコロナ感染症流行により、研究を実施するのに制限が生じたため、当初予定より進歩がやや遅れている。令和2年度に予定していた、試料の溶存ガス種とpH、また電界印加タイミングへの依存性の研究を令和3年度に実施する予定である。研究備品購入や学会参加、論文投稿費用として使用する予定である。
|
