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マイクロ・ナノ熱流体ハンドブック
[コードNo.06NTS156]

■体裁/ B5判・696頁
■発行/ 2006年 2月 8日
(株)エヌ・ティー・エス
■定価/ 56,592円(税込価格)

 マイクロ・ナノスケールの微小な構造体を作製する過程において、熱あるいは流体的問題はその技術精度を左右する重要な問題である。熱流体機器設計の観点からも、マイクロ・ナノスケールの熱流体現象の把握は重要性を増し、研究が盛んに行われている。
 本書は基礎編でマイクロ・ナノ流体現象の特徴や本質を幅広い分野の方に理解出来るように解説し、活用編でマイクロ・ナノ熱流体現象を活用して実用化、あるいは実用化の可能性のある技術を紹介する。

出版にあたって
 近年のマイクロ、ナノスケールの学術進展は著しく、最近ではマイクロ、ナノスケールの現象を活用した応用技術も一般社会の目に留まるようになってきました。とくに半導体など電子機器産業あるいはバイオテクノロジー産業における技術革新は目覚ましく、マイクロ・ナノテクノロジーは大きな産業の一つとなりつつありますが、実はマイクロ・ナノテクノロジーにおいて重要なのが、マイクロあるいはナノスケールの熱流体現象です。一般に、マイクロ・ナノテクノロジーというのは、微小な構造体を作製あるいは制御する技術であるととらえられがちですが、その製作過程や制御において熱あるいは流体的問題はその技術の精度を左右する重要な問題となります。例えば、物質表面にレーザー加工を施すような場合にはレーザーで熱せられた表面の熱をいかに逃すかといったことが、加工精度を左右する大きな要因となります。マイクロ熱機関などマイクロスケールでエネルギー変換を行うためのパワーMEMS、あるいはバイオ技術におけるタンパク質の分離など非常に微細な流路を用いたμTASなどにおいても、物質拡散や電気泳動など、マイクロあるいはナノスケールにおいて顕在化する流体現象が重要となります。このようにマイクロ・ナノ熱流体現象をより理解し、技術の進歩に役立てようという気運が国内外を問わず高まっております。
 学術的な観点からマイクロ・ナノ熱流体現象をとらえると、空間あるいは時間スケールを小さくした際に、どのような熱流体としての特徴が顕在化するのかということに尽きます。具体的には、連続体力学がどの程度の時空間スケールにまで適用できるのか、あるいはどの程度のスケールから確率統計的な扱いや分子動力学的な扱いを適用すべきなのかという問題であり、連続体が仮定できる場合においても固体表面や液体表面で作用する表面張力や界面動電現象がどのような境界条件として取り込まれるのかといった問題です。一方で、加工技術や材料技術の進展に伴って、熱流体現象がかかわるシステムは従来のミリメートル以上の空間スケールからマイクロ、ナノスケール、さらには分子スケールにまで拡大しています。そのため、熱流体機器の設計の観点からも、マイクロ、ナノスケールの熱流体現象把握の重要性はますます高まっています。
 これらの要請に応えるべく、マイクロ、ナノスケールの熱流体現象の研究が盛んに行われていることは周知のとおりです。しかしながら、分子スケールからマイクロスケールまでを包括した学術体系はいまだ構築されていません。また、マイクロ、ナノスケールの熱流体現象の特性を積極的に活用した事例あるいはシステムにおいて、マイクロ、ナノスケールの熱流体現象の把握が必要不可欠な事例などは意外に知られておらず、このような事例を広く一般に共有していくことも必要と思われます。
 本ハンドブックは以上のような趣旨で出版することになりました。ただし、マイクロ・ナノ熱流体と一言で申しましても、時空間スケールの違いはもちろんのこと、対象とする物質の相によっても大きな違いがあり、現段階で完全な学術体系を構築することがいかに困難であるかは重々承知しております。また、各分野の技術的な進展が激しい時代でもあり、マイクロ熱流体の研究分野への要請が今後大きく変化していくであろうことも想像しております。しかし、このようにマイクロ熱流体分野が黎明期にある現在だからこそ、本ハンドブックの出版に意義があると判断いたしました。そこで、本ハンドブックでは、マイクロ・ナノ流体現象の特徴や本質をできるだけ読者の方にご理解いただけるように基礎的な事項について基礎編で解説するとともに、マイクロ・ナノ熱流体現象を活用して実用化された技術あるいは実用化の可能性のある技術を活用編で紹介しております。活用編は当該分野の第一線でご活躍の方々に執筆していただいたことから、充実した内容となっていると自負しております。本ハンドブックがマイクロ・ナノ熱流体現象に携わる研究者、とくに技術者の方々のお役に立てることを願っております。
 本ハンドブックの出版にあたり、お忙しいなか原稿を執筆くださった多数の先生方、原稿を通読し校閲と適切な指摘をしてくださった芝浦工業大学の小野直樹先生に深くお礼申し上げます。また、本書の出版に多大な労をとってくださった(株)エヌ・ティー・エスの関係者に感謝いたします。最後に、本編集委員会は(独)産業技術総合研究所マイクロ熱流体システム活用エネルギー有効利用連携研究体の連携研究員を主体に構成いたしましたが、連携体の長でいらっしゃる東京大学名誉教授の庄司正弘先生には、企画段階から編集段階にいたるまで終始貴重なご助言とご指導をいただきました。ここに深く感謝申し上げます。
2006年1月 マイクロ・ナノ熱流体ハンドブック編集委員会 代表者 丸山茂夫 編集委員一同

編集代表
丸山茂夫東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻教授
 
編集委員(五十音順)
稲田孝明(独)産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門主任研究員
鈴木健司工学院大学工学部機械システム工学科助教授
鈴木雄二東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻助教授
大宮司啓文東京大学大学院新領域創成科学研究科環境学専攻助教授
高木周東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻助教授
竹村文男(独)産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門主任研究員
松本壮平(独)産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門主任研究員
 
編集協力
小野直樹芝浦工業大学工学部機械工学第二学科助教授
 
執筆者一覧(執筆順)
竹村文男(独)産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門主任研究員
丸山茂夫東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻教授
大宮司啓文東京大学大学院新領域創成科学研究科環境学専攻助教授
高木周東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻助教授
宮崎康次九州工業大学大学院生命体工学研究科助教授
永井二郎福井大学工学部機械工学科助教授
稲田孝明(独)産業技術総合研究所エネルギー技術研究部門主任研究員
鈴木雄二東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻助教授
大竹浩靖工学院大学工学部機械工学科助教授
市川直樹(独)産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門グループ長
小原拓東北大学流体科学研究所教授
吉田英生京都大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻教授
鈴木健司工学院大学工学部機械システム工学科助教授
加藤孝久東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻教授
福井茂寿鳥取大学工学部応用数理工学科教授
瀬戸章文(独)産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門研究員
松本潔東京大学大学院情報理工学系研究科知能機械情報学専攻助教授
染矢聡東京大学大学院新領域創成科学研究科環境学研究系助教授
松本壮平(独)産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門主任研究員
芦田極(独)産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門研究員
神山直久東芝メディカルシステムズ(株)超音波開発部
宮本誠三菱電機(株)先端技術総合研究所環境システム技術部主席研究員
上山智嗣三菱電機(株)先端技術総合研究所環境システム技術部主席研究員
村山英晶東京大学大学院工学系研究科環境海洋工学専攻講師
高橋厚史九州大学大学院工学研究院航空宇宙工学部門助教授
伏信一慶東京工業大学大学院理工学研究科機械制御システム専攻助教授
田中秀治東北大学大学院工学研究科ナノメカニクス専攻助教授
三木則尚慶應義塾大学理工学部機械工学科専任講師
鹿園直毅東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻助教授
中込秀樹千葉大学工学部都市環境システム学科教授
白樫了東京大学生産技術研究所助教授
松岡広成鳥取大学工学部応用数理工学科助教授
山下真司東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻助教授
中山喜萬大阪府立大学大学院工学研究科電子物理工学分野教授
中別府修東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻助教授
新納弘之(独)産業技術総合研究所光技術研究部門グループ長
松岡芳彦(独)産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門グループ長
河野正道九州大学大学院工学研究院機械科学部門助教授
小穴英廣東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻講師
北森武彦東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻教授
火原彰秀東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻講師
杉井康彦(独)科学技術振興機構北森グループ研究員

詳細目次
基礎編

第1章序論

1マイクロ・ナノ熱流体とは
2スケールの違いから見たマイクロ・ナノ熱流体現象
3連続体におけるマイクロ・ナノ熱流体
4ナノ材料とマイクロ計測・加工技術
5本ハンドブックの構成
第2章分子・ナノ熱流体

第1節分子動力学
1古典分子動力学法
2運動方程式とポテンシャル関数
3ポテンシャル関数の例
4運動方程式の数値積分
5境界条件(時空間スケール)
6熱力学的および動力学的物性の導出
7初期条件と温度や圧力の制御とアンサンブル
8動的物性値の予測
9分子動力学法シミュレーションの例題
第2節気体運動論
1背景
2状態方程式
3気体運動論
4分子間力
5熱力学と統計力学
第3節非平衡系の統計力学から連続体へ
1ボルツマン方程式
2ランジュバン方程式と拡散係数
3揺動散逸定理
第4節固体の熱伝導
1ナノ構造と熱伝導
2格子振動
3フォノン
4フォノン輸送と熱伝導率
5ボルツマン輸送方程式によるフォノンの扱い
6ナノ構造物の熱伝導に関する実験
第3章マイクロ熱流体

第1節ストークス流れの基礎
1ストークス流れ
2定常ストークス流れの支配方程式
3ストークス流れの基本的性質
4ストークス流れの特異点解法
5境界積分方程式による表記
第2節マイクロ混相流
1マイクロ分散相
2分散系混相流に関するストークス流れの解
3バイオ流体分野におけるマイクロ混相流
4分散相流れの多重スケール構造とマイクロ分散相の挙動
第3節マイクロバブルの力学
1球形気泡の膨張・収縮運動
2気泡の並進運動と気泡界面を通した物質移動
3界面への界面活性剤の吸着
第4章界面と相変化

第1節界面・表面の基礎
1界面・表面とは
2固体表面の特徴
3液体表面の特徴
4表面張力と表面自由エネルギー
5界面の熱力学
6ぬれ
7超撥水・超親水面
第2節沸騰・蒸発
1界面現象としての沸騰・蒸発
2蒸発の動力学
3気泡核生成
第3節結晶成長
1結晶成長の基礎
2拘束された空間における結晶成長
3界面制御による結晶成長の抑制
第5章マイクロチャネル

第1節流れの特性
1マイクロスケールの流れ
2スケール効果
3希薄気体効果
4スリップ流れの境界条件
5マイクロ流路製作技術
第2節単相流、気液二相流、沸騰熱伝達
1マイクロチャネル内の熱流動
2単相流
3気液二相流
4沸騰二相流
第3節マイクロ混合
1混合の基礎
2マイクロミキサ
3マイクロミキサの特性評価
第6章電場駆動流

第1節電場駆動流
第2節電気二重層
1電気二重層の概念
2拡散電気二重層
3対イオンの特異吸着
4ナノフルイディクス
第3節電気泳動・電気浸透流
1電気泳動現象
2電気浸透流
3電気泳動法
第4節誘電泳動
1直流電場における誘電泳動
2交流電場における誘電泳動
3誘電泳動の応用例
第5節エレクトロウェッティング
1界面張力の電気的制御の利用
2原理
3応用例
第7章トライボロジー

第1節マイクロトライボロジー
1マイクロトライボロジーの概念
2表面間の相互作用力
3毛管凝縮とメニスカス力
4スティクション
5微小荷重下の摩擦力
第2節ナノ液体潤滑膜
1磁気記録装置とナノトライボロジー
2ナノ潤滑剤の特異性
3固体面の影響
4これからの課題
第3節ナノ気体潤滑膜
1ナノ気体潤滑の特質
2ナノ気体潤滑膜の確率・統計的な解析手法
3熱励起形ナノメートル浮上メカニズム
第8章ナノ材料

第1節カーボンナノチューブ
1さまざまなカーボンナノチューブ
2単層カーボンナノチューブの幾何学構造と電子状態
3単層カーボンナノチューブの共鳴ラマン散乱
4単層カーボンナノチューブの合成
5アルコールCCVD法による合成
6カイラリティ分布
7基板上直接合成と垂直配向単層カーボンナノチューブ膜
第2節ミクロ/メソポーラス物質内部の吸着現象
1ミクロ/メソポーラス物質
2吸着平衡論
3吸着現象の分子論的描像
第3節超微粒子
1超微粒子の特性
2超微粒子の生成過程
3超微粒子の形態制御と粒径選別技術
4超微粒子の応用例
第9章計測技術

第1節微小スケール計測技術の基礎
1微小スケール計測の分類
2メカニカルなプローブを用いる計測
3電子をプローブとする計測
4光子をプローブとする計測
5イオンをプローブとする計測
第2節微小流れ場の計測
1マイクロスケールの流れ
2マイクロPIV
3レーザー誘起蛍光法
第10章加工技術

第1節MEMS加工技術
1基本的なプロセスフロー
2表面マイクロマシニングとバルクマイクロマシニング
3MEMS加工に用いられる基板
4洗浄技術
5フォトリソグラフィ
6薄膜の形成
7エッチング
8ヒンジ構造
9SU-8TMプロセス
10接合技術
第2節MEMS実装技術
1MEMSにおける実装技術
2ウェハのダイシング
3ワイヤボンディング
4流体実装
第3節微細機械加工技術
1機械的微細加工技術の分類
2切削・研削加工
3放電加工
4成形加工
5ラピッドプロトタイピング
6マイクロ・ナノ領域における機械加工への期待
活用編

第1節マイクロバブル超音波造影診断
1はじめに
2マイクロバブル造影の歴史
3超音波造影法の原理
4超音波造影剤としてのマイクロバブル
5マイクロバブルの音響的特徴
6マイクロバブルを利用した映像法
7おわりに
第2節マイクロバブル洗浄技術
1はじめに
2マイクロバブルとは
3マイクロバブルによる油汚れの除去原理
4気泡融合防止剤による微細気泡の高密度化
5マイクロバブル洗浄システムとその特徴
6具体的な洗浄例
7まとめ
第3節マイクロバブルによる腫瘍焼灼
1はじめに
2強力集束超音波
3マイクロバブルと強力集束超音波を併用した腫瘍焼灼技術
第4節マイクロバブルによる結石破砕
1はじめに
2体外衝撃波結石破砕術
3超音波キャビテーションの利用
4まとめ
第5節マイクロバブルによる水処理
1マイクロバブルと水処理
2微細気泡発生手法
3ベンチュリ管を用いたマイクロバブル発生手法
4まとめ
第6節超音波キャビテーションによる氷生成
1はじめに
2キャビテーションによる氷の核生成
3超音波振動による氷の微細化
4超音波による氷生成の応用技術
5おわりに
第7節マイクロポンプとマイクロバルブ
1マイクロ流体デバイス
2マイクロポンプ
3マイクロバルブ
第8節マイクロフライト
1はじめに
2MAVの特徴
3MAVの開発
4まとめ
第9節マイクロスラスタ
1はじめに
2スラスタの種類と性能
3マイクロスラスタ誕生の背景
4各種マイクロスラスタ
5マイクロスラスタと超小型衛星の現状と展望
第10節燃料電池
1概論
2燃料電池に関する研究事例
3おわりに
第11節マイクロ燃料電池システム
1はじめに
2DMFC
3燃料改質器付PEFC
4MEMS技術を用いたマイクロ燃料電池
5おわりに
第12節マイクロガスタービン
1はじめに
2MITマイクロガスタービンと全体設計
3マイクロガスタービンのスケール効果と詳細設計
4おわりに
第13節マイクロ熱交換器
1はじめに
2熱交換器小型化技術
3熱交換器の熱抵抗低減技術
4まとめ
第14節マイクロ冷凍機
1はじめに
2基本事項
3各種冷凍方式
4マイクロ・ナノ領域への応用
5まとめ
第15節マイクロヒートパイプ
1はじめに
2マイクロヒートパイプの現状と必要性・毛管型と自励振動型の熱輸送能力の比較
3自励振動型ヒートパイプ
4まとめ
第16節マイクロ/ナノトライボロジーとその応用
1はじめに
2ファンデルワールス力を考慮した磁気ヘッドスライダの浮上特性解析
3長波方程式による薄膜気液界面の変形解析
4メニスカスの動特性解析
5液体超薄膜における分子効果の発現
6おわりに
第17節ナノチューブ光デバイス
1はじめに
2単層カーボンナノチューブの可飽和吸収特性
3単層カーボンナノチューブ型可飽和吸収素子の応用
4単層カーボンナノチューブを用いたモード同期光ファイバーレーザー
5おわりに
第18節カーボンナノチューブ応用
1はじめに
2ナノチューブの応用分野
3エレクトロメカニカルシステム分野
4エレクトロニクス応用分野
5高機能材料分野
6エネルギー分野
7おわりに
第19節ナノスケール温度・熱物性計測
1はじめに
2SThM開発の背景
3AFMを基礎としたSThM
4受動温度計測法
5能動温度計測法
6SThMによる熱物性計測
7おわりに
第20節レーザー間接加工
1はじめに
2レーザー間接加工法の具体例
3今後の展望
第21節レーザー直接微細加工
1はじめに
2軸状集光ビーム
3集光素子とレーザービームのアライメント
4実験光学系
5点加工
6ドリル加工
7加工ダメージの低減
8アクシコンアレイを用いた同時多点微細加工
9まとめ
第22節DNAマニピュレーション
1はじめに
2DNA分子の水溶液中での広がり
3DNA分子の弾性論
4単分子実験によるDNA分子の弾性および強度測定
5流れ場中でのDNA分子の振舞い
6光ピンセットによるDNA単分子操作
7DNA分子の伸張固定
8DNA分離法
9おわりに
第23節マイクロ化学システム
1はじめに
2マイクロ単位操作と連続流化学プロセス
3検出技術
4応用例
5おわりに

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