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2011 年度 実施状況報告書

生体親和ナノマテリアル創製のための大気圧中温プラズマ流システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 23560182
研究機関東北大学

研究代表者

茂田 正哉  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30431521)

研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2014-03-31
キーワード流体工学 / プラズマ工学 / ナノ粒子
研究概要

本年度は、実験のみならず理論および数値計算による両面からの研究により、ナノマテリアル創製システムの土台を成す個々の基礎プロセスに対して多角的なアプローチを図った。まず実験的研究においては、化学工学的立場から生体親和性の強いチタンがプラズマ流によってホウ化物ナノ粒子を形成する過程に注目し、原料供給量や分率が最終生成物のサイズや機能性に与える影響を明らかにした。また流体工学的立場からは非定常性の強い流動場に着目し、動的はく離現象や音波発生時の渦構造を熱線プローブ計測によって詳細に調べ、その知見を基に、はく離制御および音波制御にも成功した。一方、理論的研究においては、これまで研究代表者が独自に構築してきた二成分系ナノ粒子群の集団的成長過程の数理モデルの深化を図り、ホウ化チタンナノ粒子群の形成過程をより詳細に明らかにした。また今まで1次元問題にしか適用できなかった金属ナノ粒子群生成モデルを2次元プラズマリアクター内における生成過程計算に拡張することにも成功した。同時に今後の大規模計算における計算負荷を軽減するために、ナノ粒子群成長の本質的な機構を考慮しながらも簡易的に計算することができる方程式系を導いた。さらにプラズマ流中における前駆体溶液の分裂および蒸発過程の解析手法の土台を構築すべく、粒子法の一種であるSPH法を用いて、気液界面の大変形を伴う液柱分裂過程および二相噴流、マランゴニ対流を伴う複雑熱流動場のシミュレーションにも成功した。加えて誘導結合型プラズマ流における極めて複雑な電磁熱流動場の3次元数値計算にも成功し、その渦構造を明らかにすることができた。

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

東日本大震災による研究の遅れが主な理由である。本年度の初頭は、大気圧中温プラズマ装置の転倒による故障、電源の復旧の遅れ、度重なる余震によって実験を遂行できる環境にはなかった。そのため、年度前半の研究計画を変更し、理論的研究の深化を図ることで前述の成果を得ることができた。年度後半にはシステムの土台を成す個々の基礎プロセスに着目し実験を行なうことはできたが、大気圧中温プラズマ流システムによるナノマテリアルの創製には成功していない。

今後の研究の推進方策

今後は、エアミスティノズルと送液デジタルポンプとを組み合わせ、プラズマ流中に前駆体溶液を原料として注入するためのたシステムを作成する。そして実際に大気圧中温プラズマ流を用いてナノマテリアルを創製することを試みながら、流動特性と物質機能の相関を見出し、システムの最適化を図る。また同時に、これまでに得られている知見を基にして、数理モデルや計算アルゴリズムの深化も図り、スーパーコンピューターを利用した高精度の大規模計算による現象解明も試みる予定である。

次年度の研究費の使用計画

次年度使用額は、当初計画していたプラズマ発生部の加工、エアミスティノズルおよび高速データ処理装置の購入を次年度に延期することによって生じたものであり、延期したプラズマ発生部の加工、エアミスティノズルおよび高速データ処理装置の購入に必要な経費として平成24年度請求額とあわせて使用する予定である。

  • 研究成果

    (31件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (28件)

  • [雑誌論文] Formation Mechanism of Titanium Boride Nanoparticles by RF Induction Thermal Plasma2012

    • 著者名/発表者名
      Yingying Cheng, Masaya Shigeta, Sooseok Choi, Takayuki Watanabe
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: vol.183 ページ: 483-491

    • DOI

      10.1016/j.cej.2011.12.040

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Two-Dimensional nodal model with turbulent effects for the synthesis of Si nano-particles by inductively coupled thermal plasmas2012

    • 著者名/発表者名
      V. Colombo, E. Ghedini, M. Gherardi, P. Sanibondi, M. Shigeta
    • 雑誌名

      Plasma Sources Science and Technology

      巻: vol.21 ページ: 025001 (12)

    • DOI

      10.1088/0963-0252/21/2/025001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal plasmas for nanofabrication 総説(招待論文)2011

    • 著者名/発表者名
      Masaya Shigeta, Anthony B. Murphy
    • 雑誌名

      Journal of Physics D: Applied Physics

      巻: 14 ページ: 174025 -16pages

    • DOI

      10.1088/0022-3727/44/17/174025

    • 査読あり
  • [学会発表] Numerical Investigation of Nano-Material Processing by Thermal Plasma Flow2012

    • 著者名/発表者名
      Masaya Shigeta
    • 学会等名
      15th Workshop on Sustained Simulation Performance
    • 発表場所
      Sendai
    • 年月日
      2012年3月23日
  • [学会発表] 翼周りの低レイノルズ数非定常流れの計測2012

    • 著者名/発表者名
      青柳 渉, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期総会・講演会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2012年3月13日
  • [学会発表] 気液二相噴流の混合過程に関するSPHシミュレーション2012

    • 著者名/発表者名
      和田 康典, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期総会・講演会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2012年3月13日
  • [学会発表] SPH法による固液二相系における加振時のSPHシミュレーション2012

    • 著者名/発表者名
      廣田 隼人, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期総会・講演会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2012年3月13日
  • [学会発表] 流れのはく離に関する一考察2012

    • 著者名/発表者名
      吉川 穣, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期総会・講演会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2012年3月13日
  • [学会発表] ブラジウス境界層における局所外部乱れの受容と速度変動の成長2011

    • 著者名/発表者名
      大橋 祐介, 渡辺 徹, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2011
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年9月7日
  • [学会発表] キャビティ底面の角柱突起が空力騒音に及ぼす影響2011

    • 著者名/発表者名
      西 陽一郎, 中島 潤之, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2011
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年9月7日
  • [学会発表] 粒子法を用いたコールドスプレー法における超音速ノズル内の材料粒子輸送過程の研究2011

    • 著者名/発表者名
      高橋 忠志, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期秋季講演会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 回転円柱と平板間に形成される渦管に対するせん断流の影響2011

    • 著者名/発表者名
      伊藤 卓哉, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期秋季講演会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 直線翼垂直軸風車周りの流れ場の研究2011

    • 著者名/発表者名
      所田 達也, 佐藤 祐子, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期秋季講演会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 平板境界層における孤立した乱流領域の後縁部内部構造に関する研究2011

    • 著者名/発表者名
      藤原 優, 草野 真一郎, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会東北支部第47期秋季講演会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 濡れた路面を走行するタイヤの3次元SPHシミュレーション2011

    • 著者名/発表者名
      多田 修平, 佐竹 正俊, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会2011年度年次大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年9月11日
  • [学会発表] はく離点が大きく振動する非定常流れの計測と制御2011

    • 著者名/発表者名
      林 朋希, 大江 宏昌, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      日本機械学会2011年度年次大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年9月11日
  • [学会発表] 粒子法によるアーク溶融池の数値シミュレーション2011

    • 著者名/発表者名
      茂田 正哉, 伊藤 真澄, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      第215回溶接法研究委員会(主催:溶接学会)(招待講演)
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2011年8月3日
  • [学会発表] Generation of Velocity Fluctuations in a Boundary Layer by a Piezoelectric Actuator2011

    • 著者名/発表者名
      H. Okawa, S. Kondo, M. Shigeta, S. Izawa, Y. Fukunishi
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2011
    • 発表場所
      Hamamatsu
    • 年月日
      2011年7月24日
  • [学会発表] 3次元SPH法による非圧縮性流体と弾性体の連成解析手法究2011

    • 著者名/発表者名
      多田 修平, 佐竹 正俊, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      第25回数値流体力学シンポジウム
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2011年12月19日
  • [学会発表] 3次元非圧縮SPH法による液柱分裂のシミュレーション2011

    • 著者名/発表者名
      高島 忠博, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      第25回数値流体力学シンポジウム
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2011年12月19日
  • [学会発表] 乱流中の階層的渦運動に関する研究2011

    • 著者名/発表者名
      岡崎 博成, 茂田 正哉, 伊澤 精一郎, 福西 祐
    • 学会等名
      第25回数値流体力学シンポジウム
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2011年12月19日
  • [学会発表] Simulation of Velocity Fluctuation Generated by Vibrating Actuator2011

    • 著者名/発表者名
      Hajime Okawa, Masaya Shigeta, Seiichiro Izawa and Yu Fukunishi
    • 学会等名
      Eighth International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai
    • 年月日
      2011年11月9日
  • [学会発表] Incompressible SPH Simulation of a Droplet and a Liquid Column with Marangoni Convection2011

    • 著者名/発表者名
      Masumi Ito, Seiichiro Izawa, Yu Fukunishi and Masaya Shigeta
    • 学会等名
      Eighth International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai
    • 年月日
      2011年11月9日
  • [学会発表] Simulation of Boundary Layer Receptivity to Outer Disturbances2011

    • 著者名/発表者名
      Shuta Noro, Masaya Shigeta, Seiichiro Izawa and Yu Fukunishi
    • 学会等名
      Eighth International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai
    • 年月日
      2011年11月9日
  • [学会発表] Process of Leading Edge Receptivity to Periodic Disturbances2011

    • 著者名/発表者名
      Yu Nishio, Masaya Shigeta, Seiichiro Izawa and Yu Fukunishi
    • 学会等名
      Eighth International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai
    • 年月日
      2011年11月9日
  • [学会発表] Flow Control of Unsteadily Separating Flow2011

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Hayashi, Hiromasa Oe, Masaya Shigeta, Seiichiro Izawa and Yu Fukunishi
    • 学会等名
      Eighth International Conference on Flow Dynamics
    • 発表場所
      Sendai
    • 年月日
      2011年11月9日
  • [学会発表] Cavity Noise Control Using a Small Obstacle on Cavity Floor2011

    • 著者名/発表者名
      SEICHIRO IZAWA, HIROYUKI NAKASHIMA, YOICHIRO NISHI, MASAYA SHIGETA, YU FUKUNISHI
    • 学会等名
      The 64th Annual Meeting of the American Physical Society's Division of Fluid Dynamics
    • 発表場所
      Baltimore, USA
    • 年月日
      2011年11月20日
  • [学会発表] Mathematical modelling applications to physical phenomena in thermal plasma processes2011

    • 著者名/発表者名
      Masaya Shigeta
    • 学会等名
      SEMINARIO, Auletta seminari DIEM, University of Bologna(招待講演)
    • 発表場所
      Bologna, Italy
    • 年月日
      2011年10月7日
  • [学会発表] 気相合成におけるナノ粒子群成長の簡易数理モデルの提案2011

    • 著者名/発表者名
      茂田正哉, NEMCHINSKY Valerian A.
    • 学会等名
      日本混相流学会年会講演会2011
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2011-08-08
  • [学会発表] Mechanism of Titanium Boride Nanoparticle Formation in RF Thermal Plasma Method2011

    • 著者名/発表者名
      Yingying Cheng, Takayuki Watanabe, Masaya Shigeta
    • 学会等名
      20th International Symposium on Plasma Chemistry
    • 発表場所
      Philadelphia, USA
    • 年月日
      2011-07-25
  • [学会発表] 2-D nodal model with turbulent effects for the synthesis of Si nanoparticles in RF thermal plasmas2011

    • 著者名/発表者名
      Vittorio Colombo, Emanuele Ghedini, Matteo Gherardi, Paolo Sanibondi, Masaya Shigeta
    • 学会等名
      20th International Symposium on Plasma Chemistry
    • 発表場所
      Philadelphia, USA
    • 年月日
      2011-07-25

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公開日: 2013-07-10  

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