【本学研究者情報】

〇大学院工学研究科ファインメカニクス専攻　教授　祖山均
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〇国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所 兼務）　教授　矢代航
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〇多元物質科学研究所　助教　梁暁宇
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【発表のポイント】

• X線の放射光^（注1）とXFEL^（注2）を光源とした高速度観察により、液体が高速で流れる際に圧力が低下して気体（泡）に相変化する現象「キャビテーション^（注3）」の有効利用に重要な渦キャビテーションの構造を世界で初めて可視化することに成功しました。
• 渦キャビテーションを構成する気泡は、球状ではなく、角張った形状であることを明らかにしました。
• 本研究は日本、ドイツ等との国際共同研究として、広い視野が確保できる大型放射光施設SPring-8^（注4）と、世界最高速度のEuropean XFEL^（注5）で実施しました。

【概要】

化学プロセスや金属材料の高強度化にキャビテーションを活用するためには、細長い渦キャビテーション（図1）の構造を解明する必要があります。

東北大学大学院工学研究科の祖山均教授と国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所 兼務）の矢代航教授らは、空間分解能と時間分解能に優れたX線高速度観察により、渦キャビテーションの構造を可視化観察することに世界で初めて成功しました。従来、渦キャビテーションは、多数の微小球状気泡で構成されていると考えられていましたが、実際は比較的大きな角張った形状の気泡で構成されていることがわかりました（図2）。また、「渦」の重要なパラメータである、渦が回転しているときの接線速度を求めることに成功しました。今後、発生メカニズムの解明や新たな数値シミュレーション法の開発などに寄与することが期待されます。

本成果は2023年12月3日に、超音波化学分野の専門誌Ultrasonics Sonochemistryに掲載されました。

【用語解説】

注1. 放射光
直進する電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、磁石などでその進行方向を曲げた際に生じる強力な電磁波 (光)。

注2. XFEL
X-ray free electron laserの略。X線領域の自由電子レーザー。

注3. キャビテーション
液体が高速で流れる際に、圧力が低下して気体（泡）に相変化する現象。流速の低下により気体から液体に戻る気泡の圧潰時に衝撃力や高温・高圧場を発生。乱れた流れ場に生じる渦中に発生する渦キャビテーションの場合、複数の気泡から構成されているために、気泡の相互干渉により圧潰衝撃力が増大すると考えられている。ラジカル反応を生じさせるなどの化学プロセスや、固体材料の表面をたたきつけ金属を高強度化することなどに活用される。

注4. SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeV（ギガ電子ボルト）に由来。電磁波（放射光）を用いて幅広い研究が行われている。

注5. European XFEL
ドイツ・ハンブルグのドイツ電子シンクロトロン研究所（DESY）にあるX線自由電子レーザー施設。自由電子レーザーの原理により、高輝度X線を発生させて、原子・分子・細胞などの微細構造の研究が行われている

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院工学研究科
教授　祖山均
TEL: 022-795-6891
Email: soyama*mm.mech.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
（多元物質科学研究所 兼務）
教授　矢代航
TEL: 022-217-5184
Email: wataru.yashiro.a2*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学大学院工学研究科情報広報室
担当　沼澤みどり
TEL: 022-795-5898
Email: eng-pr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）