超音波を用いた溶融液凝固におけるマイクロ・ナノ構造のアクティブ制御

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本研究は、液固相変化に伴う結晶の成長とパターン形成を超音波の音響放射圧による力を利用してアクティブに制御することを目的とするものである。ここで制御されるミクロ構造は、バルク体において広範囲の階層スケールでの異方性発現を目指したものであり、潜熱蓄熱材や合金・半導体などの多様な環境材料への応用が期待される。研究の初年度となる本年度は、まず超音波発信系を備えた凝固観察システムを組み上げ、純水を供試した動的凝固の可視化実験を行なった。超音波発信系は、関数発生器からの電気信号をアンプで増幅し、凝固セルに設置した圧電素子にて試料内部に安定な定在波を形成させた。同時に、凝固場の温度計測にて、初期過冷度と冷却速度の変化を解析した。波形の観測にはオシロスコープを用い、振幅・周波数・位相差の変化を解析した。併せて、結晶成長の様相を偏光顕微鏡で観測し、動画として記録した。本年度で得られた主な成果を以下に示す。（１）対面する二つの超音波発信子から同位相の正弦周期波形を発信することにより、冷却過程にある試料内部に定在波を形成させた。定在波中に混入した固体粒子は実験周波数に対する波長の半値でほぼ等間隔に配列することが観測された。（２）超音波定在波の音響放射圧による力の解析モデルにより、媒質中の小球粒子が受ける力の向きは、媒質と粒子の密度で求まる特性量と、圧縮率の比によって決定され、純水中の氷粒子は定在波の節に集まることが明らかとなった。（３）冷却操作によって、試料融液の過冷却崩壊に伴う自由デンドライト成長ならびに外部冷却による伝熱支配の凝固過程が、結晶モフォロジーと配向性（偏向色）とともに観察することができた。しかしながら、超音波による氷晶の溶断と再配列は観測されなかった。今後の課題としては音圧の増大とともに、定在波維持のために行っている多段階冷却の条件設定を変化させ、氷晶の配列化を目指す。