液体の熱輸送を決定する分子動力学機構の解析

液体中を熱エネルギーが輸送される現象は、マクロには熱伝導と呼ばれ、 液体の特性は熱伝導率の値一つで表されます。既存の物質についての熱伝導率の計測とは少し異なる 立場で、「なぜその液体はその熱伝導率をもっているのか?」という疑問に答えを見出そうとするのが この研究です。

固体については、フォノンや電子による熱エネルギー伝搬のメカニズムがよく知られ、熱輸送の メカニズムがこれらの理論をベースとして議論され、近年の薄膜・ナノワイヤなど微細構造による 新しいデバイスの創出に大いに役立っています。しかし、液体については、フォノン伝導に匹敵する 見通しのよい理論が存在しないことから、熱輸送のメカニズムを考えることは、基礎も応用も 遅れています。

水(1つの分子からの視点)

アルカン飽和液

液体中を熱エネルギーが輸送される現象は、分子がもつ力学的エネルギーが分子間力により分子から 分子へ伝搬される現象です。上図は我々の生活や工業過程で重要な水及びアルカン(直鎖炭化水素)の 液体における分子状態のスナップショットですが、このような分子が周囲の分子と相互干渉を行いながら、 エネルギーを伝搬させてゆき、その伝搬の速さが熱伝導率を決定しています。 私たちは、この分子間のエネルギー伝搬に着目し、これを分類することにより、どのような分子間に どのようなエネルギー伝搬があり、それらが集積してマクロな熱エネルギーの流れを作っているのかを 明らかにするための解析法を確立しました。

液体水中の熱流束を構成するエネルギー伝搬モード

例えば、水分子は並進運動と回転運動を行っており、水中で分子から分子にエネルギーが伝搬される 場合には、その並進・回転のどちらの運動を変化させるのかによって、伝搬エネルギーの「質」が 異なります。上図はこれら2つのエネルギー伝搬モードが液体中の熱伝導の流束に占める割合を示した もので、回転運動エネルギーの伝搬が並進運動エネルギーの伝搬に卓越していることがわかります。 液体水と固体金属との間の固液界面などでは、並進運動エネルギーしか通過できないことがわかって おり、この場合、液体中を回転運動で伝搬されてきた熱エネルギーは、界面近傍で並進運動に変換されて 界面を通過する必要があり、ここで強い非平衡状態が生じます。

アルカン飽和液中の熱流束を構成するエネルギー伝搬モード

上図は、直鎖上の分子であるアルカンの飽和液中で熱伝導により生じたエネルギー伝搬を その分子動力学機構に分類して表示したもので、マクロな熱伝導の熱流束を構成する様々な 分子スケールエネルギー伝搬の寄与を表しています。ポリマー分子の場合は、分子から分子へ エネルギーが伝搬される分子間エネルギー伝搬だけではなく、分子の変形振動によって 分子内を移動する熱エネルギーが熱エネルギーのマクロな空間移動(すなわち、マクロな 熱流束)に対して寄与をなします。アルカン分子の場合には、C-C間の伸縮振動、C-C-Cの 曲げ振動、CC-CCのねじれ振動などの変形振動があります。図から、アルカン分子の鎖長が 長くなるのに従って、分子内のエネルギー伝搬が全体に占める割合が大きくなり、分子量 数百程度で過半に達していることがわかります。

分子内のエネルギー伝搬は、分子の鎖が向いている方向のみに作用します。上述の現象は 分子がランダムな方向を向いているバルク状態の液体についてのものですが、多くの分子が 一定の配向をもった場合には、分子内エネルギー伝搬が全てその方向に作用し、熱輸送には 顕著な異方性が発現するものと考えられます。一つの例として、水中で脂質分子が自己組織化 して形成される脂質二重膜において、この熱輸送の異方性が観察されています。(別項参照)

論文