固液界面近傍の水分子及びイオンの状態に基づく氷の不均質核生成の理解

基于固液界面附近水分子和离子的状态了解冰的异质成核

• 批准号: 19K21938
• 负责人: 稲田 孝明
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Tokyo Denki University (2020-2021)National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2019)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-06-28 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K21938/
• 关键词: 核生成; 過冷却; 氷; 界面; イオン

氷点下で動作する熱機器において、固体表面上で氷が発生する現象（不均質核生成）を制御することは重要な課題である。本研究では、固体表面近傍の水分子の状態に基づいて、氷の不均質核生成の理解を深めることを目的とする。具体的には、氷の発生を促進する固体表面の結晶構造や電気的特性を明らかにし、その固体表面上での氷の不均質核生成現象を測定・解析し、固体表面の特性と氷発生の相関を調べることによって、氷の不均質核生成の新しいメカニズムを提唱する。今年度は、氷核活性の高いヨウ化銀（AgI）の単結晶基板の作成を試み、電子顕微鏡観察で評価した。また、AgI基板上での水滴の不均質核生成温度を測定し、単結晶基板の性状との相関を調べた。AgI粒子及び基板の作成手法としては、AgI飽和溶液中のIイオン濃度を調整しておき、これを徐々に水で希釈することによってAgIを過飽和状態として、AgI単結晶を作成する技術を最適化した。AgI結晶を数日間かけてゆっくり成長させると、明瞭なファセットを有する単結晶を作成でき、モルフォロジーの異なる結晶の回収も可能となった。この手法によって、ベーサル面からなるAgI単結晶基板の生成を実現した。基板表面の電子顕微鏡観察から、渦巻き成長を示す成長丘やステップが観察された。このAgI単結晶基板上に微小水滴（直径10～100μm）を配置し、氷の核生成温度を測定した結果、単結晶基板表面のサブミクロンオーダーの性状に依存せず、ほぼ一様な核生成温度が得られることがわかった。その一方で、基板ごとに核生成温度がばらつくことも確認できた。

在冻结温度以下运行的热设备中，控制固体表面上的冰产生现象（异质成核）是一个重要问题。这项研究旨在加深我们基于固体表面附近的水分子状态对冰的异质成核的理解。具体而言，我们通过阐明固体表面的晶体结构和固体表面的晶体结构和电性能提出了一种新的机制，该机制促进冰层对固体表面上冰的异质成核的现象，并检查固体表面和冰面和冰层和产生固体表面之间的相关性。今年，我们试图创建一个具有高冰核活性的银碘化物（AGI）制成的单晶底物，并通过电子显微镜对其进行了评估。此外，测量了AGI底物上水滴的不均匀成核温度，并检查了与单晶体底物的性质的相关性。作为制备AGI颗粒和底物的一种方法，对饱和AGI溶液中的I离子浓度进行调整，然后用水逐渐稀释以使AGI成为过饱和状态，从而优化创建AGI单晶的技术。当在几天内缓慢生长AGI晶体时，产生了带有清晰面的单晶，并且还回收了具有不同形态的晶体。该技术已被用来实现由基底表面制成的AGI单晶体底物的形成。底物表面上的电子显微镜观测显示生长山和台阶显示螺旋生长。将微水滴（直径为10至100μm）放在该AGI单晶体底物上，并测量了冰的成核温度，发现几乎可以获得几乎均匀的成核温度，而没有依赖于单晶底物表面的亚微米级的特性。另一方面，还可以证实，成核温度因底物而异。

项目成果

ヨウ化銀単結晶基板の氷核活性

碘化银单晶基底的冰成核活性

• 发表时间: 2021
• 作者: 稲田孝明;小山寿恵;大沼空
• 通讯作者: 大沼空

氷の核生成現象

冰核现象

• 发表时间: 2022
• 期刊: 伝熱
• 作者: Yamada Hirotaka;Kawasaki Daiki;Sueyoshi Kenji;Hisamoto Hideaki;Endo Tatsuro;稲田孝明
• 通讯作者: 稲田孝明

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