分子熱流動研究分野

ナノ流動研究部門

Nanoscale Flow Research Division

分子熱流動研究分野

Molecular Heat Transfer Laboratory

教 授
小原 拓
Professor
Taku
Ohara
助 教
SURBLYS Donatas
Assistant Professor
SURBLYS
Donatas
特任助教
川越 吉晃
Specially Appointed
Assistant Professor
Yoshiaki
Kawagoe

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ります。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す。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ります。
分子熱流動研究分野では、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、研究を進めています。

Analysis of thermal and fluid phenomena based on the molecular dynamics theory leads to understanding of fundamental mechanism of the phenomena, and ultimately, to the design of thermal and fluid phenomena that are needed in the cutting-edge area in modern technologies. Also the molecular-scale analysis is effective for thermofluid phenomena in extreme conditions in which macroscopic models such as thermophysical properties and the concept of interface are no longer valid. In the application field, micro/nanofluidics is now expanding rapidly especially for the field of biotechnology, which is based on the micro/nanoscale thermal and fluid engineering supported by the recent progress of the MEMS/NEMS technologies. Realization of the mechanism of nanoscale thermal and mass transport in living body in biomimetic fluid machines is one of the most promising fields in the area of micro/nanofluidics.
The molecular heat transfer laboratory is engaged in the research to analyze micro/nanoscale thermal and fluid phenomena, from the molecular scale to the MEMS/NEMS scale, and pursue the application of it.

流体の構造と熱・運動量の分子スケール輸送特性
Study on Fluid Structure and Transport Characteristics of Energy and Momentum

流体、特に液体中には様々な構造が存在し、その動特性が液体中の輸送現象、すなわち熱・運動量・物質の移動を支配しています。液体中の構造を解析し、その構造の輸送特性を解析することにより、なぜその液体の輸送物性値はその値なのか、希望の輸送物性値をもつ流体はどのような分子構造をもっているのか、などの疑問を解明します。また、脂質分子が水中で形成する二重膜構造(生体細胞膜のモデル)など、液体中に発現するナノスケールのヘテロ(不均一)な構造とそこで発現する非等方的熱物質輸送現象を解析し、新しいナノスケール熱物質輸送デバイスの材料として応用するための基礎研究を行っています。

Fluids, especially liquids, contain various structures of which dynamic characteristics governs transport phenomena in liquids, i.e., transport of mass, momentum and thermal energy. Analysis of liquid structures and their transport characteristics gives a thorough answers for some questions such as why the liquid have its magnitude of thermophysical properties and how the molecular structure should be to realize a liquid having desired thermophysical properties. Another point of this study is heterogeneous structures such as bilayer of lipid molecules organized in water (model for cell membranes of living body). Anisotropic transport phenomena that arise in such heterogeneous structures are analyzed as a basic study for novel materials of nanoscale thermal and mass transport devices.

固液界面における熱・物質輸送特性
Heat and Mass Transfer Characteristics at Solid-Liquid Interfaces

固体・液体が接する界面における熱と物質の輸送現象は、NEMSや多孔質体など微細構造をもつ系の総括的特性を支配しています。また、半導体製造工程のウェットプロセスなど微細加工に利用され、製品の成否を決定する鍵となっています。界面近傍の液体中に固体表面の影響を受けて発現する特異な構造や、固体分子-液体分子間のエネルギーの伝搬を解析する分子動力学シミュレーションにより、現象のメカニズムを明らかにするとともに、必要な界面特性を発現する分子及び微細構造を探索するための基礎研究を行っています。

Heat and mass transfer at interfaces where solids and liquids contact governs overall characteristics of nano-structured systems such as NEMS and porous materials. The phenomena are utilized in nano-fabrication process such as the wet process for semiconductor devices. Molecular dynamics simulation analyzes anomalous structures in liquids in the vicinity of solid surfaces produced under the influences of solid surfaces and intermolecular energy transfer between solid and liquid molecules, which clarifies mechanism of the phenomena. Basic studies to seek molecules and nanostructures which exhibit required interface characteristics are also performed.

          
液体分子の熱エネルギー伝搬特性データに基づく熱媒流体の設計
Design of Novel Thermal Fluids Based on the Thermal Energy Transfer Data of Liquid Molecules

エネルギーの高効率利用や熱機器の高機能化において、機器内外を流動し熱エネルギーを運搬する熱媒流体は大きな役割をもっている。分子を構成する様々な官能基など原子あるいは原子群がなす力学的エネルギー伝搬への寄与を解析し、それらが集積して発現する熱エネルギー伝搬特性に関するデータに基づいて、様々な使用条件に対して最適化され最高の性能を発揮する熱媒を実現する分子がどのようなものであるかを知るのが、本研究の目的である。固体において実現している材料設計のアプローチを流体の熱流動特性に対して確立するのが目標である。

Thermal fluids, which flow and transport thermal energy in devices, are playing a major role for highly efficient usage of thermal energy in sophisticated thermal devices. The aim of this study is to know the structure of molecules for thermal fluids which are optimized for specific conditions and give the best performance. This is accomplished based on the data concerning thermal energy transport in fluids, which are obtained by analyses of mechanical energy transfer due to dynamic motions of molecules and functional groups in molecules. Our goal is to establish the design approach of thermal and flow characteristics for fluids, just like solid materials that has been established in these days.

           
分子熱流動研究分野