ナノ微細構造を持つ固体表面における伝熱機構の究明

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ナノテクノロジーと熱工学の融合分野において,ナノ微細構造が壁面付近での伝熱促進技術の鍵として非常に注目され,多孔質体のナノ構造物が熱伝達率を著しく向上させた実験結果が報告されている.しかし,ナノ微細構造が界面近傍の熱伝導層のエネルギー伝達を変化させる可能性があるとしても,流動抵抗と熱抵抗の両方を同時に抑えることは従来の概念からは考えにくいという疑問が残こる.本研究では,分子動力学法を用いてナノ微細構造による伝熱促進効果のメカニズムを解明することを目的とし,ナノ微細構造を持つ固体壁面を対象とし,界面濡れ性はどのような表面微細構造によって変化するのか,またどのような表面微細構造が抵抗低減及び熱伝達率向上に有効なのかについて調べた.疎水性界面においては流動抵抗が低減され熱抵抗が大きいが,親水性界面では固液ポテンシャル場による数分子層の界面吸着が生じ,熱抵抗が小さくて流動抵抗は大きいことより,固体表面における液体分子の濡れ挙動がナノ構造表面の伝熱の主役と考えられる.その特徴として界面濡れ性(界面近傍のポテンシャル場)がナノ構造の寸法や形状などによって変化し,熱伝達率に影響を及ぼしていることを検証した.また,液滴の接触角は,ナノ微細構造のサイズや形状等によって変化することを確認し,界面における微細構造を制御することによって撥水性を向上できることが分かった.さらに,液滴の接触角度について,従来の理論的記述法との整合性を検討し,界面の分子挙動を考慮した新たな記述法を提案した.