界面分子濃度プローブと多光子吸収濃度変調によるマランゴニ対流の初生解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K14647
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 水嶋 祐基 静岡大学, 工学部, 助教 (30844716)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 流体工学 / 界面 / 濃度差マランゴニ対流 / フェムト秒レーザーパルス / 近接場

研究実績の概要

フェムト秒レーザーパルス（fsパルス）の優れた時空間選択性を活用した、流体界面を非熱的に制御する手法（MCM）、および界面反射光を高感度に計測し界面分子濃度を推定する光ファイバープローブ法（LMDP）、これらの原理を開発した。
MCM開発においては、fsパルスを任意パターンに空間変調・集光して界面活性剤を失活させ、局所的な濃度勾配を形成、濃度差マランゴニ対流を起こす技術を構築した。レーザーパターンの空間変調に係る基礎検討としてfsパルスと水の相互作用に着目し、レーザー誘起気泡の成分分析を行い、変調パターンとパルスエネルギー、繰り返し周波数によって水素・酸素の成分比が大きく異なる結果を得たことから、fsパルスが水分子の構造に直接働きかける非熱的作用が起こっていること、fsパルス照射直後にプラズマ状態（電子密度やその分布）が様々に形成されることを実験的に見出した。これらに基づきMCMを再現性よく起こすことのできる空間規模や強度の指標を推定し、界面制御技術として原理を開発した。
LMDP開発においては、界面活性剤の局所濃度に応じて変化する近接場光強度を光ファイバーで検出して界面状態を計測する技術を構築した。自作の光ファイバーを用いて界面反射光および近接場光の強弱を可視化困難な空間領域まで分解検出し、さらに時間方向にも分解計測することで、界面の分子濃度や微小距離、速度情報を取得する新しい測定技術として原理を開発した。

研究成果

• [雑誌論文] Newly Developed Method for The Liquid Thin-Film Thickness Measurement by Using Optical-fiber-based Reflective Probe (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima
  • 雑誌名: Nuclear Technology 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Effects of Curved Gas-liquid Interface on Light Reflectance Liquid-film measurement for an Optical Waveguide Film (2023)
  • 著者名/発表者名: Hajime Furuichi, Kenichi Katono, Yuki Mizushima, Toshiyuki Sanada
  • 雑誌名: Nuclear Science and Engineering 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1080/00295639.2023.2180986
  • 査読あり
• [雑誌論文] ナノ秒パルスレーザーにより生成されたアブレーションプラズマの並進温度と柱状密度測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 桑原 彬、松井 信、水嶋祐基
  • 雑誌名: プラズマ応用化学 巻: 30 ページ: 65-70
  • DOI: 10.34377/aps.30.2_65
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multipoint Gas-Liquid Phase Detection Method Based on a Thin-film Optical Waveguide (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshia Miyachi, Hajime Furuichi, Toshiyuki Sanada, and Yuki Mizushima
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 ページ: 065107
  • DOI: 10.1063/5.0075435
  • 査読あり
• [学会発表] 光ファイバープローブを用いた膜厚計測における界面形状と計測精度の関係 (2023)
  • 著者名/発表者名: 飯岡大貴，真田俊之，水嶋祐基
  • 学会等名: 化学工学会第88年会
• [学会発表] フェムト秒レーザーを用いた海水からの直接水素製造法 の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 桑原 彬, 井上 柊, 水嶋 祐基, 松井 信, 小塚 智貴, 間瀬 暢之
  • 学会等名: 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Preliminary Experiments of Hydrogen Production from Water using Nano-second YAG Laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Inoue, S., Kuwahara, A., Mizushima, Y., Matsui, M., and Mase, N.
  • 学会等名: 15th International Workshop on Plasma Application and Hybrid Functionally Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental and numerical assessment of liquid film thickness under high-speed gas flow (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Okui, S. Mizumi, S. Tabata, T. Sanada, Y. Mizushima
  • 学会等名: Turbomachinery Technical Conference & Exposition (ASME Turbo Expo 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Newly developed method for the liquid thin-film thickness measurement by using optical-fiber-based reflective probe (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizushima
  • 学会等名: The 12th Japan-U.S. Seminar on Two-Phase Flow Dynamics 2022 (JP-US STPFD’22)
• [学会発表] 光ファイバープローブを用いた液膜計測における界面波検出信号に関する実験的検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯岡大貴，真田俊之，水嶋祐基
  • 学会等名: 日本混相流シンポジウム2022
• [学会発表] フィルム型光導波路を用いた液膜流計測時の薄膜部検出に関する考察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 寺本悠二郎，古市肇，真田俊之，水嶋祐基
  • 学会等名: 日本混相流シンポジウム2022
• [学会発表] 光ファイバーを用いた圧力測定におけるプローブ先端形状の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮地慶亞，真田俊之，水嶋祐基
  • 学会等名: 日本機械学会第100期流体工学部門講演会
• [備考] 静岡大学研究者データベース
  • URL: https://tdb.shizuoka.ac.jp/rdb/public/Default2.aspx?id=11281&l=0