新規熱輸送デバイスの創出に繋がるグラフェン液体セルを用いたナノスケール相変化実験

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ナノスケールの流路を持つ相変化伝熱デバイスの実現のためには，体積力が支配するバルクの流れとは異なり表面力が支配する微小流体の特異性を理解することが不可欠である．当研究では2枚のグラフェン間に微量の純水を封入した「グラフェン液体セル」を透過型電子顕微鏡（TEM）で直接観察することで，微小流体の物理を明らかにしてきた。令和4年度は，グラフェン液体セルの三次元形状と内部圧力を原子間力顕微鏡を用いて調査した。三次元形状の測定ではグラフェン液体セルの厚みとTEM観察で可視化される投影面の面積の関係を調べた。液体セルが他の液体セルと接続している場合は厚みと面積が比例して大きくなるものの，独立して存在する液体セルにはこのような相関が認められなかった。更に内部圧力も液体セルの三次元形状によらずランダムな値を取ることが明らかになった。これは，グラフェン液体セルの圧力はその形状によって一意に定まる，という先行研究が理論的に示した結果を否定するものである。機械的にグラフェン液体セルの形状と圧力を測定し，まとまった数の測定結果を示した研究は本研究が初めてであり，今後のグラフェン液体セルを用いた研究に有益な情報を提供できたと言えるだろう。更に，本圧力計測のために新たに考案したグラフェン液体セルを固体基板上に作成する方法をMEMSチップ上への作成へと応用することで，電圧の印加や加熱などの刺激を微小液体に加えながらTEM観察することが可能になることを確認した。