流れ　2008年9月号　目次

 

巻 頭 言（高クヌッセン数流れとその課題）

新美智秀 名古屋大学

　東北大学流体科学研究所の南部健一先生（東北大学名誉教授）が「流体工学研究」に関するご業績が認められ，平成２０年４月２９日に紫綬褒章を受章されました．本当におめでとうございます．流体工学研究を推進している私たちにとって，何よりもの朗報でした．

　 南部先生の受賞を記念して，先生が長年にわたってご研究されてきた希薄気体流に関連した国際会議や研究分科会でご一緒させていただいたご縁で，特集「高クヌッセン数流れ（希薄気体流れからマイクロ気体流れまで）」を企画いたしました．

　 「高クヌッセン数流れ」は最近ご理解いただけるようになってまいりましたが，私はこれを以下のように定義しております^1-2)．従来から気体流の希薄度を表わす重要な無次元パラメータとしてクヌッセン数（Kn : Knudsen number）があり，平均自由行程λと流れ場の代表長さL を用いてKn = λ/Lで定義されます．一般にKnが0.01を超えると，気体流は連続体として近似できず，原子・分子の流れとして扱わなくてなりません．これらは宇宙空間や高真空に関連した流れに代表され，従来から「希薄気体流」と呼ばれております．南部先生がご活躍された「希薄気体力学に関する国際会議」では，このような流れに関する研究発表が活発に議論されてきました．近年では大気圧下でも代表長さが数十nm程度になるMEMSやNEMS(Micro/ Nano Electro Mechanical Systems)に代表されるマイクロ・ナノデバイスが容易に作成できるようになりましたが，これらの近傍の流れ場も，クヌッセン数の大きい流れとなります．このような流れは，クヌッセン数が大きく，原子・分子の流れとして解析しなければならいという点で，流体工学的にはこの分野も「希薄気体流」の範疇に入れるべきなのかもしれませんが，これらのデバイスは真空下（希薄）ではなく大気圧下で用いられることがほとんどなので，それには少し抵抗があります．そこで私たちは，このようなKnが0.01を超えて原子・分子のレベルで解析しなければならない流れ場を総称して「高クヌッセン数流れ」と呼ぶことにしました．クヌッセン数の定義Kn = λ /L は気体分子の固体表面との衝突の頻度の分子間衝突の頻度に対する比と考えることもでき，したがって「高クヌッセン数流れ」は気体分子の固体表面との衝突の影響を強く受ける流れ場でもあります．

　では高クヌッセン数流れにはどのような課題があるのでしょうか．高クヌッセン数流れにおいては，平均自由行程が大きい場合には分子間衝突数が極端に減少して気体流中に強い非平衡現象が発現し，代表長さが極端に小さい場合には気体分子は他の気体分子よりも固体表面と数多く衝突するため，流れ場が固体表面の影響を強く受けることになります． いわゆるナノテクノロジーにおいては，デバイスの構築・形成に重点が置かれていますが，これらは作動時においては常に雰囲気ガスと接触しているために，気体分子とデバイスとの相互作用が非常に重要であるにもかかわらず，そこには力点が置かれていないのが現状です．

　今後のMEMS／NEMSなどのマイクロ・ナノデバイスの開発には，これらを取り巻く高クヌッセン数流れの理解，すなわち流れ場の原子・分子オーダーでの理解と固体表面近傍における原子・分子の挙動の理解が必要です．マイクロ・ナノ領域では，マクロ領域では問題にならない特異な物理現象が発現するため，これらの理解の積み重ねがナノテクノロジーの将来を決める今後の大きな課題であり，高クヌッセン数流れに関連した高精度な実験手法の開発とその実験的な精緻データの取得がナノテクノロジーの進展に大きく寄与するものと考えられます．特に，気体流の非平衡現象，固体表面の適応係数，吸着確率などの高クヌッセン数流れを理解するのに必要な基礎データの取得は，原子・分子を直接扱うモンテカルロ直接法（DSMC法）や分子動力学法（MD法）による高クヌッセン数流れの詳細な予測の可能性にも結びつくため，これらのデータの取得は急務の課題であると考えています．数値シミュレーションには，空間や時間のスケールを相互作用の無視できる領域で分離して，スケール間をモデル化によって結合するマルチスケール解析が提案されており³⁾，量子力学的に原子・分子を扱いながらマクロスケールの現象を捉えることも可能となっています．実験では困難な分子レベルでの物性値の取得や非平衡現象の詳細な解明には，これらの数値シミュレーションを実験と相補的に用いることも必要でしょう．

　 本特集では，南部先生ともに希薄気体力学に関する国際会議や研究分科会などにご参加された先生方に，最近の希薄気体力学やマイクロ・ナノデバイス周りの流れなど原子・分子のレベルでの実験や数値シミュレーションの最新結果をご執筆いただきました．

　 ご多忙中にもかかわらずご執筆いただいた先生方に，紙面をお借りして衷心より御礼申し上げます．

 

文　　献

1)	新美智秀，「マイクロ・ナノ熱流体工学への誘い－高クヌッセン数流れのミクロスケール・アナリシス－（特別寄稿），デンソー　テクニカルレビュー，May 2005, Vol. 10, No.1, pp.3-10
2)	新美智秀，高クヌッセン数流れ，機械の研究, 第60巻, 第2号，㈱養賢堂，2008, pp.269-278
3)	松本洋一郎，山口浩樹，流体力学における希薄気体のシミュレーションの課題，J. Vac. Soc. Jpn.（真空），49-8, 2006, pp.470-475