分子複合系流動研究分野

ナノ流動研究部門

Nanoscale Flow Research Division

分子複合系流動研究分野

Molecular Composite Flow Laboratory

(兼)教 授
小原 拓
Concurrent
Professor
Taku
Ohara
准教授
菊川 豪太
Associate Professor
Gota
Kikugawa

ナノスケールからマクロスケールに渡る多くの工業・産業プロセスにおいては、分子レベルの物理が複合的に関与する熱流動現象が数多く見られます。特に、デバイス表面での放熱性能の向上による次世代半導体デバイスの限界性能向上、熱流動特性や機械特性の最適化による新規高分子素材の探索・設計には、界面での熱流動特性や不均質媒体における分子スケール構造と輸送特性の相関など、複合的な視点での現象理解が不可欠です。そこで、分子動力学法をはじめとした大規模数値シミュレーションにより、熱流体工学におけるミクロスケールの熱・物質輸送現象およびマクロな熱流体物性を支配するミクロスケールメカニズムの解明を目指しています。また、複数のスケールに渡る数値解析技法の統合によってマルチスケール性を有する熱流動現象の解明を行います。これらの知見を基盤とすることで半導体プロセス、高分子素材開発等の関連産業へ貢献することを視野に研究を進めています。

From nanoscale to macroscale, various thermal and fluid phenomena, to which composite molecular-scale physics gets engaged, are of critical importance in the wide range of engineering and industrial processes. In particular, an essential understanding of these phenomena is indispensable to exploit the limit performance of next-generation semiconductor devices by improving thermal dissipation from the device surface or to explore and develop novel polymeric substances by optimizing thermal and fluid properties as well as mechanical properties. By using large-scale numerical simulations such as the molecular dynamics method, we investigate heat and mass transfer phenomena in the thermal and fluid engineering from the microscopic viewpoint. The underlying microscopic mechanisms governing macroscale thermofluid properties are examined as well. Integrating numerical analysis methods which can cover multiscale physics, we aim to investigate thermal and fluid phenomena having multiscale aspects. Based on this knowledge, industrial applications such as semiconductor processes and development of polymeric materials are explored.

有機分子膜による表面修飾の研究
Surface Modification Using Organic Molecular Films

自己組織化単分子膜(self-assembled monolayer、SAM)をはじめとした分子スケールの表面修飾技術は、固体表面の物理化学的特性を制御する技術として、種々のプロセスやデバイスへの応用が進んでいます。特に、有機分子の自己組織化や薄膜状態での自発的構造形成を利用してボトムアップにより表面修飾を行う技術は、柔軟かつ適応性の広い方法として期待されています。これら有機分子膜の構造形成や界面親和性、界面を介した熱・物質輸送特性は、工学応用上極めて重要であり、その輸送機構を明らかにすることを目的に研究を行っています。


Novel surface modification techniques at the molecular level such as the self-assembled monolayer (SAM) have drawn attention as the technique to control the physical and chemical properties on solid surfaces. In particular, the bottom-up processes, i.e., surface modification by utilizing the self-assembling of organic molecules or spontaneous structurization in organic thin films, have future possibilities due to their flexibility and adaptability. Structure formation, interface affinity, and heat and mass transport characteristics of organic molecular films have a critical importance in the engineering and industry. Therefore, we investigate the underlying microscopic mechanisms governing these significant characteristics.

高分子材料の熱流動特性
Thermal and Fluid Properties of Polymeric Materials

産業的にも広く利用が進んでいる高分子材料の開発には、内部の分子スケール構造や相分離構造の制御によって、力学的・化学的特性のみならず熱流動特性を設計することが必要とされています。例えば、高温等の極限状態で利用される架橋構造を有するポリマー樹脂は、宇宙往還機表面に使われるアブレーション材料など、分子の内部構造の変化・崩壊に伴う機械的・熱的特性の変化を予測することが極めて重要な課題となっています。分子スケールからマクロスケールに至るスケール複合的な解析手法やデータ科学の技術を利用して、有用な熱流動特性や機械特性を有する高分子材料の探索・設計を目指しています。

As for development of polymeric materials which have extensively been utilized in industry, designing thermofluid properties as well as mechanical and chemical properties by controlling the molecular-scale structure and phase separation structure inside the material is being required. For example, it is a critical issue to predict the variation in mechanical and thermal properties of polymeric resins having crosslink bonds which is induced by the change of molecular structure when exposed to the extreme environment, e.g., ablation materials in space planes. Using integrated numerical analyses covering molecular-scale to macroscale phenomena and data-driven informatics techniques, we aim to explore and design polymeric materials which have valuable thermofluid properties and mechanical properties.

不均質媒体/制限空間内の流体における輸送現象
Transport Phenomena in Heterogeneous Media and Confined Liquids

流体やソフトマター界面、ナノスケール構造によって形成される制限空間内の閉じ込め液体においては、界面近傍における液体中の不均質(ヘテロ)な構造発現に伴い、特異な熱・物質輸送特性が現れます。これらは、多孔質体やナノ細孔、生体高分子を介した物質移動などナノ・バイオ工学レベルで広く重要な要素となっています。本研究を通じて、界面近傍における閉じ込め液体の分子輸送特性が、均質なバルク液体中と大きく異なることや流体力学的効果によって分子拡散現象が強く影響を受けることが明らかになっています。分子スケールにおけるヘテロな構造や輸送現象の本質的理解と、それらに基づくマクロな熱流体解析への橋渡しとなる物理モデルの構築を目指しています。

At the fluid and soft matter interfaces or inside the confined liquid in nanoscale structures, peculiar heat and mass transfer characteristics emerge as a consequence of heterogeneous structure formation inside a liquid in the vicinity of the interfaces. These phenomena are directly relevant to the wide field of nano- and bioengineering, e.g., molecular transport through mesoporous materials and biomolecules. This study elucidates that the molecular transport in confined liquids is significantly different from that in the homogenous bulk liquids and that the molecular diffusion is highly affected by the hydrodynamic effect induced by the molecule itself. Our goal is an essential understanding of heterogeneous structure and corresponding transport phenomena at the molecular level and building physical models which can bridge macroscopic thermal and fluid analyses based on the microscopic knowledge.

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