• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2022 年度 実績報告書

多機能高送達性ナノ粒子シングルステップ合成を実現する超臨界プラズマ流の創成と制御

研究課題

研究課題/領域番号 21H01249
研究機関東北大学

研究代表者

茂田 正哉  東北大学, 工学研究科, 教授 (30431521)

研究分担者 田中 学  大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (20243272)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード流体工学
研究実績の概要

本研究は、超臨界プラズマという特異物質相の流れを利用して、多機能高送達性ナノ粒子の生成量・サイズ・組成を制御しながらシングルステップで大量合成するという新手法を流体工学的立場から確立することを目的としている。2022年度は、前年度に開発した非軸対称形状の傾斜アークプラズマ内部の温度を計測できる非対称Abel逆変換画像分光法の深化を図った。また、ヘリウム雰囲気中で発生したアークプラズマとの相互作用で溶融タングステン表面から放出される微小液滴を捉え、その発生メカニズムを電磁流体力学的観点から明らかにした。さらに電極を改良し、高電圧パルス放電により超臨界二酸化炭素中でプラズマ相をロバストに連続維持できるに至った。一方で、数理モデリングを基盤とした数値シミュレーションによる研究も行った。プラズマ-非電離気体共存系の熱流体挙動を捉えるために研究代表者が独自に構築してきた数値計算手法を用いて、解離性ガス由来のアークプラズマの急激な熱膨張に起因する乱流渦誘発現象のミニマル過程の再現に成功し、渦生成メカニズムを明らかにした。さらに、固相および液相の共存する連続体を粒子法によってモデル化し、高電流条件下での金属溶融・流動・凝固・化合物形成・酸化物輸送を同時に再現・解析できる数値シミュレーションを実現した。ナノ粒子については、冷却過程において異種金属ナノ粒子群が共凝縮を経て集団形成する時間発展プロセスを数値解析的に明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

改良電極を用いた高電圧パルス放電により超臨界二酸化炭素中でプラズマ相をロバストに連続維持できるようになった。また、ナノ粒子形成・輸送やプラズマ流動に関する理論的研究の方もおおむね順調に進んでいると言える。

今後の研究の推進方策

今後は、パルス的な高速放電にともなうプラズマ相の温度計測を実現するための計測系を構築する。並行してシュリーレン計測システムを適用して密度場を計測することで流動場の構造を明らかにする。合成物については、X線回折(XRD)を用いた組成分析により物質の同定と特性評価および電子顕微鏡(SEM, TEM)を用いた粒径・形状観察を行う。同時に理論的・数値的な研究アプローチも継続し、超臨界プラズマ流動場におけるナノ粒子の形成メカニズムを明らかにするために数値計算モデルの拡張を行う。超臨界状態のプラズマ相を表現できる数理モデルを構築するために高温環境における解離性ガスの原子・分子スケールの物理化学からマクロスケールの電磁熱流体現象に渡るマルチスケール・マルチフィジックスモデルの構築を行っていく。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件、 招待講演 8件)

  • [国際共同研究] オーストラリア連邦科学産業研究機構(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      オーストラリア連邦科学産業研究機構
  • [雑誌論文] Asymmetric Abel inversion in imaging spectroscopy for tilted TIG arc plasma2022

    • 著者名/発表者名
      Yuto Yamashita, Masaya Shigeta, Hisaya Komen and Manabu Tanaka
    • 雑誌名

      Welding International

      巻: 36 ページ: 425-433

    • DOI

      10.1080/09507116.2022.2084822

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical investigation for dominant factors in slag transfer and deposition process during metal active gas welding using incompressible smoothed particle hydrodynamics method2022

    • 著者名/発表者名
      Takamasa Fukazawa, Keigo Tanaka, Hisaya Komen, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka & Anthony Bruce Murphy
    • 雑誌名

      Welding International

      巻: 36 ページ: 297-313

    • DOI

      10.1080/09507116.2022.2059147

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Particle simulation of nugget formation process during steel/aluminum alloy dissimilar resistance spot welding and thickness estimation of intermetallic compounds2022

    • 著者名/発表者名
      Shinnosuke Chikuchi, Masaya Shigeta, Hisaya Komen & Manabu Tanaka
    • 雑誌名

      Welding International

      巻: 36 ページ: 434-442

    • DOI

      10.1080/09507116.2022.2084821

    • 査読あり
  • [学会発表] Computational Studies of Thermal-Plasma-Induced Turbulence on Nanopowder Generation and Sustained Arc Discharge2022

    • 著者名/発表者名
      Masaya Shigeta
    • 学会等名
      The 75th Annual Gaseous Electronics Conference & The 11th International Conference on Reactive Plasmas (GEC 2022/ICRP-11)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Computational Studies on Nanopowder Formation and Turbulence Generation in Thermal Plasma Applications2022

    • 著者名/発表者名
      Masaya Shigeta
    • 学会等名
      The 5th International Union of Materials Research Societies - International Conference of Young Researchers on Advanced Materials (IUMRS-ICYRAM 2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mathematical Modelling and Simulations of Thermal Plasma - Nanopowder Fabrication Processes2022

    • 著者名/発表者名
      Masaya Shigeta
    • 学会等名
      National Conference on Recent Developments and Evolving Trends in Plasma Science and Technology & Pre-conference Workshop on Modelling and Simulation of Industrial Plasmas
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高温金属溶接シミュレーションへの粒子法の適用2022

    • 著者名/発表者名
      茂田 正哉
    • 学会等名
      Prometech Simulation Conference 2022
    • 招待講演
  • [学会発表] 数学的記述と計算アルゴリズム構築に根差した熱プラズマ流-材料創製プロセスの研究2022

    • 著者名/発表者名
      茂田 正哉
    • 学会等名
      日本伝熱学会東北支部 春季講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 数値プラズマ流体工学の事例紹介 ― 熱プラズマ誘発乱流が支配するナノ粒子生成およびアーク消弧プロセス ―2022

    • 著者名/発表者名
      茂田 正哉
    • 学会等名
      第38回九州・山口プラズマ研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] SF6系アークプラズマの乱流誘発メカニズム解明に向けた数値シミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      茂田 正哉
    • 学会等名
      応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会第40回新領域研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱プラズマ誘発乱流が関係するナノ粒子生成およびアーク消弧プロセスの数値解析的研究2022

    • 著者名/発表者名
      茂田 正哉
    • 学会等名
      日本学術振興会 第153委員会 第155回研究会『高気圧プラズマプロセスを左右するガス流場の 詳細計測・制御と数値解析』
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱プラズマ下流域における二元系合金ナノ粒子生成プロセスの数値解析的研究2022

    • 著者名/発表者名
      鶴見 俊介, 杉本 真, 茂田 正哉
    • 学会等名
      スマートプロセス学会2022年度学術講演会

URL: 

公開日: 2023-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi