Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

分子流体力学 / 希薄気体流 / 気液界面 / クヌッセン層

(1) 蒸発・凝縮が生じている気液界面の第二高調波分光計測
中心波長約800 nm，繰り返し周波数80 MHz，平均出力約1 Wのフェムト秒レーザーを用いて気液界面の第二高調波分光計測を行う実験系を構築した．試料液面に対してレーザー光をスポット径数十 μmに集光して照射し，波長約400 nmの第二高調波をエッジパスフィルタを通した後にアバランシェフォトディテクタに集光し，出力信号をロックインアンプにより検出する構成となっている．さらに，クマリン314水溶液を対象とした予備実験を進めた．
(2) 気液界面から蒸発する気体分子の速度分布計測
ナノ細孔アレイ膜の表面にピン止めされた気液界面を真空容器内に保持し，蒸発直後の水分子の速度分布を飛行時間法により計測する実験系を構築した．細孔径および細孔間隔を適切に定めることで，気相における分子間衝突が実質的に生じない状況が実現され，蒸発直後の速度分布の計測が可能となった．本計測により得られた速度分布はMaxwell-Boltzmann分布と比較して遅い分子の割合が若干少なく，速い分子の割合が若干多い傾向を示している．この結果は分子動力学シミュレーションにより予想されている傾向と一致しており，今後，温度などの条件を振った計測を実施することにより，計測の信頼性を確認するとともに現象の理解に取り組んでいく予定である．
(3) 多孔体表面からの蒸発に伴う非平衡気体流れの解析とモデリング
細孔アレイ表面からの蒸発を対象として，非平衡気体流れの解析，液体の流動解析，固体内の熱伝導解析を連成させた解析を行うことで，細孔形状，流体の物性，温度・圧力などの条件が蒸発流れに与える影響を検討した．また，回転自由度を持つ多原子分子の低マッハ数流れに対して，分散低減型モンテカルロ法と粒子数削減法を併用することにより効率的に解析を行うアルゴリズムを開発した．

分子流体力学 / 希薄気体流 / 気液界面 / クヌッセン層 / 高熱流束除熱

細孔表面からの蒸発により生じる非平衡気体流れ（クヌッセン層）に関する知見を得ることを目的に研究を実施し，以下の成果を得た．(1)液体表面から蒸発した直後の気体分子の速度分布を飛行時間法により測定するために，真空環境に液面を長時間に渡って安定的に保持する方法を確立した．適切な寸法の細孔膜を利用して液面を保持することで，蒸発後の気体分子どうしの衝突を抑制できることを示した．(2)細孔表面からの蒸発により生じる気体流れを効率的に数値解析するために，分散低減型モンテカルロ法によりクヌッセン層を取り扱うための手法を開発した．

細孔表面からの蒸発は，自然や工学応用の様々な場面において普遍的にみられる現象である．高精度な蒸発モデルを構築するためには，液面から蒸発した直後の気体分子の速度分布を把握することが望まれるが，技術的困難から信頼性の高い計測結果はこれまでに報告されていない．また，細孔表面のように複雑な形状からの蒸発による非平衡気体流れを取り扱うために，効率的な数値解析法が求められている．本研究で得られた成果はこれらの課題の解決につながるものであり，今後，細孔からの蒸発を利用した気化冷却デバイスの開発などへの応用が期待される．

【研究分担者】
吉本勇太	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
吉本勇太	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	助教	(Kakenデータベース)
堀琢磨	東京農工大学	工学(系)研究科(研究院)	准教授	(Kakenデータベース)