Exploration of surface nano structures to control micro thermal flow fields in the high Knudsen number regime

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マイクロ・ナノスケールの熱流動場では，比表面積が大きくなることからその構造自体に境界条件の影響を強く受ける．特に高クヌッセン数となる場合，境界条件は流体の分子の固体表面における散乱過程を意味しており，分子の固体表面の状態への適応度を統計的に表す適応係数によって表現できることが知られている．そして，数値解析からは境界条件に適用した適応係数の値の違いだけによってマイクロ熱流動場は大きく変容してしまうことが示されている．この結果は適切な適応係数を持つ固体表面を採用することにより意図した熱流動場を得られる可能性を示唆している．そこで本研究では，様々な技術や材料により実現された表面ナノ構造を持つ固体表面を幅広く探索し，様々な性状の固体表面において適応係数がどのように変化するかを調査し，それらを用いることでマイクロ熱流動場の制御を実現することを目指す．構築した熱輸送に関するエネルギー適応係数と流動抵抗に関する接線方向運動量適応係数をそれぞれ計測するためのシステムを用いて，同一の固体表面試料に対して2つの適応係数の計測を行った．固体表面試料としては典型的なマイクロ・ナノスケールの構造とみなせる粗さの異なる工業表面を選択し，様々な材料を採用した．得られた2つの適応係数を相補的に利用して従来から広く利用されている散乱境界条件モデルへの適合に関する解析を行い，特に軽い気体分子種において特異な結果が得られることを明らかにした．