ミクロ熱流動研究部門

Non-Continuum Flow and Heat Transfer Division

分子熱流研究分野

Molecular Heat Transfer Laboratory

 

  教 授

 小原 拓

  講 師

 菊川 豪太

 

 熱流体現象を分子運動レベルで解析することは、現象の本質的なメカニズムを理解して現象を制御することにより、必要な熱流体現象を「設計」するための基礎となる。また、先端技術においてしばしば見られる、熱流体物性や界面などマクロなモデルが破綻する極限的な現象に対しても、分子運動レベルの熱流体解析は極めて有効である。応用分野では、MEMS/NEMS技術と結びついた流体応用技術であるマイクロ/ナノフルイディクスとして、バイオ関連技術や生体内の微細な熱・物質輸送のメカニズムに学んだバイオミメティクス流体機械の展開につながる。

 分子熱流研究分野では、分子からMEMS/NEMSのスケールにおける熱流体現象の理解を深め、その応用を探ることを目的として、研究を進めている。

 

液体および固液界面におけるエネルギー・運動量輸送の分子機構

 

 液体中や界面における熱や運動量の輸送は、分子間及び分子内原子間の相互作用による原子・分子の運動エネルギーや運動量の伝搬に支配されている。この原子・分子間のエネルギー・運動量伝搬に着目して、ミクロな時空間スケールにおけるエネルギーの伝搬現象とマクロな熱・運動量輸送特性が決定されるメカニズムを分子動力学シミュレーションにより解析している。また、固液界面におけるエネルギー・運動量伝搬特性についても、同様に解析を進めている。

 

固体壁面間の液体中の熱伝導(左)、液体水-白金界面(右)

 

 

 

気液・固液界面における液体の構造と熱物質輸送特性

 気液界面・固液界面近傍の液体には特有の構造が発現し、表面張力・濡れ性・蒸発・凝縮・物質吸脱着などの界面現象を決定している。近年のマイクロナノフルイディクスなど微細な流体技術では、流体の体積に対する表面積の比が著しく大きく、これら界面現象が決定的な役割を果たしている。このような観点から、固液界面での電気化学的解析や界面を含んだ分子動力学シミュレーションを行い、分子構造や輸送特性の解析をはじめとして、界面現象の解明と応用を進めている。

 

 水の気液界面

バイオ構造における熱物質輸送の解明とマイクロ/ナノデバイス開発

 

 細胞膜などナノ構造をもつ生体(模倣)材料における熱・物質移動特性やイオン選択・能動輸送のメカニズムを明らかにし、MEMSNEMS技術に応用することによって、新たな機能をもつ高速かつ高効率な熱流動システムを極小サイズで構築することができる。このように、生体内の熱流動機構に学んだバイオミメティクスナノフルイディクスデバイスや、DNA・たんぱく質の分離選別などマイクロ熱流動デバイスのバイオ関連技術への応用に関する研究を進めている。

 

ラチェット式電気泳動マイクロチップ(左)によるDNAの分離(右)

(カリフォルニア大学バークレー校ナノエンジニアリング研究室との共同研究)

 

  

脂質二重膜の熱エネルギー伝搬特性の解析()、脂質分子によるクラスタ形成()

 

 

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