私たちの周りには、空気の流れ、水の流れ、血液の流れなど、様々な「流れ」が存在します。この「流れている」物体(流体)は原子・分子の集合体であり、流れの特性値(度・速度・圧力・温度)はこれらの原子・分子の挙動から求められますが、通常の流体の解析では流体を構成する原子・分子の挙動は考えず、流れの特性値が満たす関係式を解くだけでその流体の性質を十分に理解できます。しかしながら、流れのスケールが小さくなると、ナノスケールの流体が持つ性質が顕著に現れるため、これら流体の特性値を問題にするだけではその流れの性質を十分に把握できなくなります。私たちの研究室では、流体を原子・分子の集合体と考えて、ナノスケールの流れが持つ性質を数値計算により解析しています。特に原子・分子の間で化学反応が生じたときに形成されるナノスケールの熱流動現象に注目しています。この知識は、地球環境の観点から次世代の電源として期待の高い燃料電池の効率上昇や劣化の防止に非常に役立ちます。

　図1は燃料電池の電極触媒である白金表面で水素が解離する様子を表したものです。この解離の際に水素は膨大な解離エネルギーを得て、触媒表面を非常に速い速度で運動しています。この水素の挙動を正確に捉えることにより、電極での反応性の評価が行えます。

　図2は燃料電池の高分子膜内部のプロトンの輸送現象を表したものです。プロトンは水(H2O)と結合してオキソニウムイオン(H3O+)として移動しますが、その輸送形態にはH3O+分子がそのまま移動するVehicle Mechanismとプロトンがホッピングする(となりのH2O分子に移る)ことによってあたかもH3O+分子が移動したように見えるGrotthus Mechanismがあります。この2つを考慮した数値解析によって、燃料電池の運転状況や膜の性質におけるプロトンの輸送速度を正確に評価することができます。

　このようなナノスケールの流れの知識は、燃料電池だけではなく、様々な分野で用いられているナノテクノロジーに道を拓く可能性があると考えています。