Innovative technology for controlled synthesis of reactive species by elucidating spatio-temporal dynamics of plasma gas-liquid interfacial reactions

通过阐明等离子体气液界面反应的时空动力学来控制活性物质合成的创新技术

• 批准号: 22H04947
• 负责人: 金子 俊郎
• 金额: $ 125.13万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-27 至 2027-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22H04947/
• 关键词: 気液界面プラズマ; 低次元界面液体; 時空間ダイナミクス; 輸送過程・空間分布; 活性種制御合成

本研究では，プラズマと低次元界面液体との界面層における，電荷・気流，液体形状変化が相互作用する特異的な界面反応を解明し，プラズマ照射液体内の反応生成物の完全制御の学術基盤を構築することを目的としている．初年度の2022年度は以下の成果を得た．①プラズマ生成活性種・電荷の低次元界面液体への独立制御供給技術の開発：2022年度は，二つのプラズマ（『電荷制御プラズマ』と『活性種制御プラズマ』）と液柱流の接触を時間・空間的に制御できる新たな装置開発に注力した．『電荷制御プラズマ』に必要な電圧波形を生成するナノ秒パルス電源開発を行い，空間的に局在する液体表面電荷の生成が確認された．『活性種制御プラズマ』として必要な，気相液相の混相流を横切る時間制御されたプラズマ生成を，浮遊電極導入と高周波交流放電により実現した．②プラズマ照射低次元界面液体での活性種，電荷の計測手法の確立：【電界・電荷計測】『電荷制御プラズマ』の下流に，低速且つ微量な電荷の運動を捕捉できる静電プローブおよび回路を開発することに成功した．【活性種計測】時間・空間的に非一様な液柱流の流れ方向分布を得るために，新たに空気噴射による活性種のサンプル法を開発した．これにより，気液界面プラズマに生じる，空間局在した活性種の計測が可能となった．③低次元界面液体の形状変化と化学反応のシミュレーション手法の開発：気流および電磁場との相互作用によって形状変化が生じる二次元液柱流をシミュレートできる数値計算手法を開発した．界面変形にともなう電磁気力の集中と増大によって液面の形状変化が促進されるプロセスや，気流の影響を受けて安定的な流下を維持できずに液柱が破断に至る過程も再現された．流体内部の物質輸送を同時に扱うことのできる機能の開発も進みつつある．

The purpose of this study is to investigate the interaction between low dimensional interfacial liquids and specific interfacial reactions, and to construct an academic matrix for the complete control of reaction products in irradiated liquids. The following results were achieved in the first year of 2022. The development of independent control technology for low-dimensional interface liquid flow generation of active species and charges: in 2022, the development of new devices for contact of liquid column flow, time and space control. "Charge control" necessary voltage waveform generation, second, power supply start, space, liquid surface charge generation confirmed. Active species control is necessary to control mixed phase flow of gaseous phase, time control is necessary to generate floating electrode, and high frequency AC current is introduced. 2. To irradiate the active species of low-dimensional interface liquid, the establishment of charge measurement method: "electric field·charge measurement""charge control" downstream, low speed and small amount of charge movement capture, electrostatic discharge, circuit opening, successful. [Measurement of active species] Time and space are not the same, the direction of flow distribution of liquid column is obtained, and the new method of active species is developed. The space agency is responsible for the measurement of active species. 3. Development of shape transformation and chemical reaction of liquid at low dimensional interface: development of numerical calculation method for two-dimensional liquid column flow due to interaction between gas flow and electromagnetic field. As the interface deforms, the concentration and increase of electromagnetic force promotes the shape change of the liquid surface, and the influence of the gas flow is affected, the stable flow is maintained, and the process of breaking the liquid column is reproduced. Material transport inside the fluid is simultaneous and functional.

项目成果

窒素‐水気液界面反応のための混相流を横切る大気圧窒素プラズマ生成

在多相流中产生大气压氮等离子体，用于氮-水汽-液界面反应

• 发表时间: 2023
• 作者: Nakagawa Shota;Takahashi Fuminobu;Yamada Masaki;Yin Wen;藤田 立樹，高島 圭介，金子 俊郎
• 通讯作者: 藤田 立樹，高島 圭介，金子 俊郎

プラズマ合成五酸化二窒素によるチロシンの化学修飾

等离子体合成五氧化二氮对酪氨酸的化学修饰

• 发表时间: 2022
• 作者: 大場 優人，佐々木 渉太，高島 圭介，金子 俊郎

Scalable fabrication of graphene nanoribbon quantum dot devices with stable orbital-level spacing

• DOI: 10.1038/s43246-022-00326-3
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: Communications Materials
• 影响因子: 7.8
• 作者: Toshiaki Kato;Takahito Kitada;Mizuki Seo;W. Okita;Naofumi Sato;M. Shinozaki;Takaya Abe;Takeshi Kumasaka;T. Aizawa;Yui Muto;T. Kaneko;Tomohiro Otsuka

Atmospheric Pressure Plasma in Contact with High-speed Water Flow for Evaluating Liquid-phase OH Transport

大气压等离子体与高速水流接触用于评估液相 OH 传输

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Takeda;S. Sasaki;K. Takashima;and T. Kaneko
• 通讯作者: and T. Kaneko

The measurement of reactive species produced by plasma in liquid treatment in cell culture medium for gene introduction

用于基因导入的细胞培养基液体处理中血浆产生的活性物质的测量

• 发表时间: 2022
• 作者: Yanagihara K.;Kubo S.;Dodin I.Y.;the LHD Experiment Group;S. Sasaki，S. Osana，T. Kubota，M. Yamaya，H. Nishimura，R. Nagatomi，and T. Kaneko;佐々木 渉太，丸子 高志，西牧 真木夫，河合 伸典，北川 清太郎，金子 俊郎;武士 将熙，高島 圭介，佐々木 渉太，東谷 篤志，金子 俊郎;H. Iwamoto，S. Sasaki，K. Takashima，A. Higashitani，M. Toyota，T. Kaneko;K. Oikawa，S. Sasaki，R. Honda，T. Kaneko;R. Honda，S. Sasaki，K. Takashima，M. Kanzaki，T. Sato，T. Kaneko;S. Takeshi，K. Takashima，S. Sasaki，A. Higashitani，T. Kaneko;K. Oikawa，S. Sasaki，R. Honda，and T. Kaneko
• 通讯作者: K. Oikawa，S. Sasaki，R. Honda，and T. Kaneko