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

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。

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。