Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

熱物性 / 計測技術 / 2次元マッピング / 表面張力 / 粘性率 / リモートセンシング

これまで液体の表面張力は,毛細管法や静的法等によりバルクな平均値を長時間かけて測定するしかなかった。これに対して,本研究で提案するリプロン・スキャニングによる方法は,液面にレーザー光を照射しその散乱光を検知・解析するだけで,空間分解能:数十ミクロン,時間分解能:数ミリ秒,で表面張力分布を観測できる可能性を持っている。本方法は,従来の古典的な測定法とは根本的に異なり,申請者の独創的な発想に基づくものである。
本研究の目的は,すべての液体表面に存在するナノスケールの表面張力波(リプロン)の挙動をレーザー光スキャニング観測することによって,表面張力の2次元分布を計測する全く新たな手法を開発することであり,以下のような成果を得た。
(1)リプロン法による表面張力測定のための基本設備を改良し,これを液面スキャニングさせるために小型化する(畳1枚サイズ→A4サイズ)ために新たなマイクロ光学系を開発した。
(2)小型化した光学系全体をスキャニングさせるためのロボットモジュールを設計・製作し,光学系のスキャニングの位置決め精度等の問題をCCD変位センサによりチェックした。
(3)レーザー光をスキャンするために生じる,リプロンの波数選択誤差について理論的に検討し,必要に応じて新たな表面張力計算法や補正方法等を検討した。
(4)リプロン・スキャニングのシステム全体を構築し,有機溶媒や水などを基準サンプルとして,装置の健全性を検討した。
(5)表面張力が時間的に変動している系(有機溶媒が局所的に蒸発したり,温度分布,濃度分布のある系)について,本方法を適用しその可能性を明らかにした。

熱物性 / レーザー計測技術 / 食品 / 粘性率 / 表面張力

食品工業において熱物性値の重要性が高まる中、特に食品の粘性率は工程の設計・制御・品質の評価に必要とされる。しかし食品の粘性は製造プロセス内で大きく変化する場合が多く、従来の計測技術ではその要求を満足できないのが現状である。
そこで本研究の目的は、食品の粘性率を非接触で高速に、かつ幅広い粘性率の変化に適用可能なレーザーを用いた光学的計測技術を、新たに測定原理から開発することである。
本研究の成果は以下のようにまとめられる。
(1)レーザー加熱により強制的に液体表面に微細な表面波を発生させるレーザー誘起表面波法の原理に基づいた実験装置を開発した。短時間(50ns)で加熱可能なパルスCO_2レーザーを加熱源に導入することで、低粘性、高粘性試料ともに安定して信号を検知できる実験方法を確立した。
(2)低粘性試料として水、トルエンを高粘性試料としてグリセリン等を用いることで、0.5〜1000mPa・sにわたる試料で信号を検知した.原理的に粘性率によって得られる信号波形は大きく異なり,その原理から予測される信号と同様の傾向を示す信号を検知した。以上の事より本測定法が広範な粘性率変化に適用できる可能性を示した。
(3)表面張力の温度依存性の影響を考慮した理論を適用した。その理論が,特にトルエンをはじめとする低粘性試料から実験的に得られる信号波形を十分に記述できる事を明らかにした。
(4)レーザー誘起表面波の発生メカニズムにおいて、レーザーエネルギーの吸収による熱膨張と表面張力の温度依存性の2つの寄与が支配的であることを明らかにした。マイクロスケールでの温度勾配による表面張力差が起こす波の物理的イメージを、本研究で初めて明確にした。

熱物性 / 計測技術 / リモートセンシング / 表面張力 / 粘性率 / 拡散係数

本研究の目的は、動的熱物性計測技術という新たな概念を提唱し、レーザーを用いた光学的方法により、高速・非接触・動的に多様な熱物性値(表面張力、粘性率、拡散係数など)をリモートセンシングできる技術を開発しようとするものであり、研究成果は以下のようにまとめられる。
(1)表面光拡散法(表面張力および粘性率)
液体表面レーザーを照射し、その散乱光を検知することによって、表面張力と粘性率を測定可能な表面光散乱法に改良を加え、新たな装置を開発した。この測定システムを利用して、以下の成果を得た。(a)高温媒体に関しては、塩化ナトリウムを対象として1000℃以上での測定精度の向上に関する検討を行い、溶融シリコンの表面張力・粘性率の測定を行った。温度範囲は融点(1685K)から1850Kであった。計123点の測定値から次の相関式を作成した。σ=800-0.13(T-1685)mNm^<-1>(b)クラスレート生成系に適用し、動的に表面張力と粘性率が測定可能なことを確認した。また、Xe-水系ではクラスレート解離後に界面張力と粘性率が数十%増加し、数時間という時定数で減衰している様子が初めて観測された。
(2)動的光散乱法(粘性率、拡散係数)
高温炉を導入し、溶融Li_2B_4O_7の粘性率を非接触で1000℃以上で測定し、本方法の適用性を確認した。また、Xe-水系のクラスレートハイドレート生成直前の拡散係数の変化を捕らえられるための装置を改良を行い、拡散係数の動的計測技術の可能性を検討した。

【研究分担者】
長島昭	慶應義塾大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)