ナノスケールにおける固液間の速度すべりに関する分子動力学解析

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近年，マイクロからナノスケールの流路を用いて分離，混合，科学操作などを行うマイクロTASの実用化が進むなどナノスケールの流れの工学的応用が進んでいる．近年の計測技術，分子動力学(MD)法を中心とした計算科学の発展によりナノメートルオーダーになると，固液間のすべりの影響が顕著に表れることが明らかになってきた．MD法を用いて，固液摩擦係数を算出することを考えた場合，せん断を与えることにより非平衡定常流れを再現する方法が一般的であるが，長時間の平均を要することや，現実より遥かに大きいせん断を与える必要があるなどの問題がある．そこで本研究では，非平衡定常流れにおいて現れるこれらの問題を解決すべく，MD法を用いてせん断を与えない平衡系の固液摩擦力の揺らぎの自己相関関数を解析することにより固液摩擦係数を抽出する方法を，基礎的な力学である流体力学を前提として理論的に確立することを目的とする ．本研究により，流体力学を前提として，液体に接した固体に関しての運動方程式を立式することにより，平衡系の固液摩擦力の自己相関関数と固液摩擦係数との関係式が明らかになった．具体的には，固液摩擦力の自己相関関数は固液摩擦係数，固液摩擦kernel（摩擦力の位相遅れを示すもの）および系のサイズなどと関係しており，ミクロなタイムスケールにおいては固液摩擦kernelの影響を，マクロなタイムスケールにおいては系のサイズの影響を受けることがわかった．さらに，本年度は，その関係式を用いて固液摩擦kernelや系のサイズの影響が小さいミクロとマクロの中間領域の自己相関関数をフィッティングすることで固液摩擦係数を算出する方法を提案し，実際に固液摩擦係数が可能であることが示された．ただし，この方法の適用範囲，すなわち，どのような固体表面や流体に対して適用可能かどうかは具体的には明らかになっていない．