| 発刊日 | 2006年2月8日 |
|---|---|
| 定価 | 本体52,400円＋税 |
| 頁数 | 696頁 |
| 造本 | B5 |
| ISBN | ISBN4-86043-115-4 |
| 発行 | （株)エヌ・ティー・エス |
| 問い合わせ |
(有)アイトップ TEL:0465-20-5467 E-mail:ktl@r4.dion.ne.jp フォームでのお問い合わせはこちら |
| 監修 |
【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 |
【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】（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 |
| 趣旨 |
【本書の特徴】 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
書籍・DVDの内容
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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 電場駆動流 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ３ MEMS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 ９ SU-８TMプロセス 10 接合技術 MEMS実装技術 １ MEMS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 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 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 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 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 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 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 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 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 マイクロフライト １ はじめに ２ MAVの特徴 ３ MAVの開発 ４ まとめ 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 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 マイクロ燃料電池システム １ はじめに ２ DMFC ３ 燃料改質器付PEFC ４ MEMS技術を用いたマイクロ燃料電池 ５ おわりに マイクロガスタービン １ はじめに ２ MIT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 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 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 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 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 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 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 ナノスケール温度･熱物性計測 １ はじめに ２ SThM開発の背景 ３ AFMを基礎としたSThM ４ 受動温度計測法 ５ 能動温度計測法 ６ SThMによる熱物性計測 ７ おわりに 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 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 DNAマニピュレーション １ はじめに ２ DNA分子の水溶液中での広がり ３ DNA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 ７ DNA分子の伸張固定 ８ DNA分離法 ９ おわりに 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
