固気液三相界線の物理機構解明のための分子スケール融合型研究

分子尺度集成研究阐明固-气-液三相边界物理机制

基本信息

批准号：
20J01307
负责人：
手嶋秀彰
金额：
$ 3.08万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，ナノ計測技術と分子動力学(MD)解析を融合させることで，固体・気体・液体の三相が重なり影響しあう固気液三相界線の物理機構を実験・理論の両面から原子スケールで解き明かすことを目的とする．本年度の実験では，高配向性グラファイト－水界面に存在するナノスケールの気相を加熱し，その前後を原子間力顕微鏡によって観察することで加熱に伴う変化を調査した．その結果，気体分子が強く吸着して形成される非整列層と，数 nmの均一な厚みを持って存在するマイクロパンケーキの二種類の気相が観察された．加熱後の両者の挙動は大きく異なり，非整列層は表面が荒くなりその内部に多数の穴が形成される一方，マイクロパンケーキは三相界線が円形からジグザグな形状へと変化した．このように気相が変貌するメカニズムは，加熱に伴う気体分子の吸着・脱着現象と各々の気相の可動性の違いを考慮に入れることで，薄膜成長の観点から説明することができた．この結果は，固液界面のごく近傍における気体分子の物理を理解するための重要な知見である．MD解析では，グラファイト壁面上に生成された窒素ナノバブルに関する解析を行った．その結果，界面ナノバブル中の窒素分子密度に応じて接触角が変化することが明らかになった．応力計算を用いて固気・気液界面張力をそれぞれ算出した結果，気液界面張力の値は密度に対して殆ど変化しない一方，固気界面張力は前述した吸着層の影響を受けて大きく変化し，接触角の密度依存性を引き起こす原因になっていることがわかった．これらの値と熱力学積分法によって求めた固液界面の付着仕事を用いてYoungの式から接触角を定量的に算出した結果，ナノバブルの形状から直接測った接触角と良く一致した．この結果は，Youngの式が界面ナノバブルのような微視的かつ二種の流体で構成される系でも成り立つのかという本質的な問いに答える重要な知見である．

这项研究的目的是将纳米蛋白化技术与分子动力学（MD）分析进行融合，并解决固体三相界面的物理机制，其中固态，气体和液体重叠并相互重叠，并从实验和理论中互相影响，并对彼此产生影响。在今年的实验中，我们通过在高度定向的石墨水界面上加热纳米级蒸气相，研究了与加热相关的变化，并在使用原子力显微镜之前和之后观察它。结果，观察到了两种类型的气相：由强烈吸附的气体分子形成的非对准层，以及存在均匀厚度为几个NM的微孔。加热后两者的行为非常不同，未对准层的表面变得粗糙，内部形成了许多孔，而Micropancake的三相界面也从圆形变为锯齿形形状。通过考虑到与加热相关的气体分子的吸附和解吸以及每个气相的迁移率差异，可以从薄膜生长的角度来解释这种气相转化的机制。该结果是了解固体液体界面附近气体分子物理学的重要见解。在MD分析中，我们对石墨壁上产生的氮纳米泡进行了分析。结果，发现接触角会根据界面纳米泡中的氮分子的密度变化。使用应力计算计算了固体空气和气液界面张力，并且发现气体液体界面张力的值几乎没有变化，但由于上述吸附层的影响，固体界面张力显着变化，从而导致接触角度依赖密度。使用这些值以及通过热力学积分方法获得的固液接口的粘附工作，从Young方程定量地计算了接触角，并且接触角与直接从纳米泡的形状直接测量的接触角度匹配。该结果是一个重要的见解，它回答了杨氏方程在微观系统中是否正确的基本问题，由两种类型的流体组成，例如界面纳米泡。