真空中の液滴で挑む過冷却液体の未踏領域

使用真空液滴的过冷液体的未探索领域

基本信息

批准号：
21K18604
负责人：
寺嵜亨
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18604/
关键词：
過冷却液体液滴真空蒸発冷却相転移

项目摘要

研究計画に沿って実験ならびに理論研究を進めている。実験では、真空中に発生した液滴を、発生後の各時刻に200滴ほど画像観察を行って、時間とともに蒸発冷却が進み凍結した液滴の割合が増加する様子（凍結曲線）を描いて、凍結に至る時間（凍結時間）を測定している。本年度はまず、凍結の画像判定を機械学習により自動化し、実験・解析の効率化を図った。そして、水液滴へのポリオール混合効果に関して、エチレングリコールとグリセロールのほか、キシリトールを試みて同様の凍結時間を得た。その結果、OH基近傍ばかりでなく、混合分子周辺の水素結合ネットワークの乱れが凍結を阻害するとの仮説を再確認した。一方、蒸発冷却過程での温度変化の評価を目的に、液滴のラマン分光に取り組んでいる。特に液滴径の精密計測法となるWhispering-gallery mode（WGM）の測定・解析に関して、周回モードに加えて動径モードも考慮し、解析の高度化を図った。さらに、ラマン散乱に代えて白色光レーザーを光源とした広帯域測定を試み、多数のモードを捉えて計測精度の一層の向上を進めている。理論面では、ポリオール添加時の凍結曲線に関して、数値シミュレーションでの再現を試みている。溶液の蒸気圧や比熱の温度依存性が関与するパラメータであるが、特に均質凍結核生成速度が鍵を握る。当初、均質凍結温度が低温に移動することだけを考慮したが、それでは凍結曲線を再現できず、凍結核生成速度の温度依存性を露わに取り込むことが重要との認識に至った。そこで、その解明のために分子動力学計算を開始した。親水基と疎水基の寄与の分離などに着目し、今後、ポリオール混合効果の理論基盤の構築を進めてゆく。以上の成果に関して3件の学会発表を行い、ナノ学会第20回大会で学生が若手優秀ポスター発表賞を受賞するなど、高い評価を得た。

实验和理论研究是根据研究计划进行的。在实验中，在释放后的每个时间观察到了在真空中产生的大约200滴液滴，并且蒸发和冷却随着时间的流逝而进行，并且测量了冷冻液滴的比例增加（冷冻曲线），并测量导致冷冻时间（冷冻时间）的时间。今年，我们首先使用机器学习自动化了冷冻图像检测，以提高实验和分析的效率。除了乙二醇和甘油外，在多元混合效应的情况下，还获得了类似的冻结时间。结果，我们重申了以下假设：混合分子周围的氢键网络中的干扰不仅在OH组附近，而且在混合分子附近都抑制了冷冻。另一方面，我们正在研究液滴的拉曼光谱法，目的是在蒸发和冷却过程中评估温度变化。特别是，关于窃窃私语模式（WGM）的测量和分析，这是用于液滴直径的精确测量方法，我们还考虑了径向模式，除了圆周模式，并旨在改善分析。此外，尝试使用白光激光作为光源而不是拉曼散射尝试宽带测量值，并通过捕获大量模式来进一步提高测量精度。用理论术语，当使用数值模拟添加多元元时，我们试图重现冻结曲线。参数涉及蒸气压的温度依赖性和溶液的比热，但是均质结核病产生的速率尤其关键。最初，我们仅认为均质的冻结温度转移到低温，但这不允许再现冻结曲线，我们开始意识到，暴露于冻结结核病产生速率的温度依赖性很重要。因此，为了阐明这一点，分子动力学计算开始了。我们将专注于分离亲水群和疏水基团的贡献，并将继续建立未来多元元混合效应的理论基础。关于上述结果进行了三次会议演讲，学生受到了高度赞扬，包括在第20纳米农业学会上获得年轻卓越海报演示奖的奖项。