荷電ナノバブルの統計力学と輸送解析

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1990年初頭の、GratanとCrumによる単泡性音響発光(Single Bubble Sonoluminescence; SBSL)の発見以来、液体中における極めて微小な気泡と、その内部の気体に関する物理学が大きな注目を集めている。音響発光自体は、かなり以前から知られていたが、それまでは、大量の気泡が制御されないまま、生成と消滅を繰り返す中で発光が観測されていただけであるが、GratanとCrumによって、水中に非線形音波を伝播することで発生する負水圧を利用して、気泡の生成と位置の制御が可能となった。一方、以前からの研究で、水中の微小気泡は、その表面に電荷を帯びていることが知られている。すなわち、液体中の微小気泡は、電気的には、電荷をもつ粒子のようにふるまうが、これらの微小気泡が極めて多数存在するときの、その集団的振る舞いの詳細はほとんど知られていない。したがって、本研究では、液体中、その電荷により相互作用をおこなう気泡の多数の集まりの統計力学的性質(たとえば相転移や空間相関等)および輸送現象(たとえば、自己拡散や粘性等)を、理論・シミュレーションと実験的手法の両方を用いて、解明することを目的とする。平成18年度の我々の実験研究において、通常の流体力学的方法によって発生させた気泡の電荷は弱いことが分かったため、平成19年度の研究では、強制的に外部から気泡に高周波電場を印加し、気泡中にプラズマを生成することに成功し、その分光分析などを行った。気泡の電荷による相互作用は、流体的な相互作用に比べると極めて弱いことが今回に研究で明らかになったが、その一方、気泡中に放電を行うことにより、プラズマが溶液界面と強い相互作用を行うことが明らかになった。