• 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

2023 年度 実績報告書

真空中の液滴で挑む過冷却液体の未踏領域

研究課題

研究課題/領域番号 21K18604
研究機関九州大学

研究代表者

寺嵜 亨  九州大学, 理学研究院, 教授 (60222147)

研究分担者 秋山 良  九州大学, 理学研究院, 准教授 (60363347)
堀尾 琢哉  九州大学, 理学研究院, 准教授 (40443022)
荒川 雅  九州大学, 理学研究院, 助教 (10610264)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2024-03-31
キーワード過冷却液体 / 液滴 / 真空 / 蒸発冷却 / 相転移
研究実績の概要

大気中では到達が困難な過冷却深部の探究を目的に、真空中に発生した直径およそ40μmの水液滴を対象に、急速な蒸発冷却過程の観察・解析に取り組んできた。液滴径の精密計測法として、ラマン散乱に現れる液滴外周に共鳴するWhispering Gallery Modeの検出を前年度から継続し、ついに液滴の蒸発速度の測定に成功した。さらに、時間を追って撮像した一連のレーザー散乱画像から、自動画像判定技術で凍結が進む速度を解析し、これまでに報告のない温度領域232-235 Kの均質凍結核生成速度を定量化した。さらに、最先端の超高速カメラを導入して液滴の形状変化を捉える新たな実験を展開し、液滴発生時に誘起された四重極振動の周期と減衰時間から、表面張力と粘度が室温よりも過冷却領域で増加することを実証した。以上のように、過冷却領域における水の蒸発速度、凍結核生成速度、表面張力、粘度を実測する成果を上げた。
一方で、実験結果の妥当性を検証する理論研究として、前年度から進めてきた分子動力学シミュレーションで、均質凍結核生成速度の温度依存性の評価に取り組んだ。さらに、本研究が注目する過冷却領域の水の第二臨界点仮説と関連して、水中の巨大分子の分子シミュレーションを進めた。低密度水と高密度水は、常温常圧では相分離しない。しかし、ポリオールの水和構造に関する結果から、巨大分子表面が疎水的な場合は低密度水が、親水的な場合には高密度水がトラップされやすいと推測した。水-巨大分子間の摩擦が親水的な表面で大きくなると予想し、表面のOH基の数を変えながら摩擦をシミュレーションした結果、親水性による摩擦の顕著な増大が実際に確認された。水に対する巨大分子表面の摩擦を原子ごとに分解する方法を考案し、表面近傍の水和状態と拡散係数との相関の解析などを進めている。さらに、周辺の関連した溶液論研究にも取り組んだ。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件、 招待講演 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Two-dimensional ordering of bacteriorhodopsins in a lipid bilayer and effects caused by repulsive core between lipid molecules on lateral depletion interaction: A study based on a thermodynamic perturbation theory2023

    • 著者名/発表者名
      Keiju Suda, Ayumi Suematsu, and Ryo Akiyama
    • 雑誌名

      Physica A

      巻: 630 ページ: 129260/1-10

    • DOI

      10.1016/j.physa.2023.129260

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 真空中のポリオール添加水液滴の凍結過程:凍結時間の観測と分子動力学シミュレーションによる解析2024

    • 著者名/発表者名
      吉岡拓哉、荒川 雅、秋山 良、寺嵜 亨
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
  • [学会発表] 真空中の蒸発冷却による水液滴の均質凍結:液滴径変化の光測定と相転移挙動の高速画像観察2024

    • 著者名/発表者名
      飯田岳史、堀尾琢哉、荒川 雅、寺嵜 亨
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
  • [学会発表] 教科書では学ばない実効力利用の話:エントロピー駆動の“引力”と同符号電荷間の“引力”2024

    • 著者名/発表者名
      秋山 良
    • 学会等名
      新潟工学振興会 技術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] A theoretical approach for separation device based on the idea of entropic attraction2024

    • 著者名/発表者名
      R. Akiyama
    • 学会等名
      KIAS-FUB International Workshop on Bio-Soft Matter Theory
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular dynamics study of difference of friction coefficients between hydrophilic and hydrophobic surfaces on a macromolecule in water2024

    • 著者名/発表者名
      T. Iwashita and R. Akiyama
    • 学会等名
      KIAS-FUB International Workshop on Bio-Soft Matter Theory
    • 国際学会
  • [学会発表] Reentrant behavior in effectve interactons between like-charged macroions immersed in an electrolyte soluton2024

    • 著者名/発表者名
      R. Akiyama
    • 学会等名
      KIAS-FUB International Workshop on Bio-Soft Matter Theory
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Co-cation effect on the reentrant behavior of effective interaction between like-charged particles immersed in an electrolyte solution2023

    • 著者名/発表者名
      R. Akiyama
    • 学会等名
      5th ICMARI2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 電解質溶液中の同符号電荷間の実効引力2023

    • 著者名/発表者名
      秋山 良
    • 学会等名
      令和5年度 物理化学インターカレッジセミナー 兼 日本油化学会界面科学部会九州地区講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電解質溶液中の同符号電荷間相互作用が示すリエントラント挙動とその普遍性2023

    • 著者名/発表者名
      秋山 良、末松安由美、竹田宙加、宮田竜彦、丸山虎哲
    • 学会等名
      第45回溶液化学シンポジウム
  • [学会発表] The Decomposition of Friction Coefficients for Analysis of Solvation Effects on Diffusion Coefficients2023

    • 著者名/発表者名
      T. Iwashita and R. Akiyama
    • 学会等名
      The 5th conference of Theory and Applications of Computational Chemistry (TACC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular dynamics study of difference of friction coefficients between hydrophilic and hydrophobic surfaces on a macromolecule in water2023

    • 著者名/発表者名
      K. Tokunaga, Y. Nakamura, R. Akiyama, and A. Yoshimori
    • 学会等名
      STATPHYS28
    • 国際学会
  • [学会発表] 真空下の蒸発冷却過程の解明を目指した水滴径の精密測定法2023

    • 著者名/発表者名
      飯田岳史、吉岡拓哉、荒川 雅、堀尾琢哉、寺嵜 亨
    • 学会等名
      ナノ学会第21回大会
  • [備考] 九州大学大学院理学研究院化学部門量子化学研究室ホームページ

    • URL

      http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/quantum/index_j.php

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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