ChemPhysChemに筆頭著者として発表しました。液中レーザー溶融法は、急熱急冷プロセスを利用した新しい加熱法であり、従来の⻑時間加熱法と対極をなす手法です。本研究成果である粒子の加熱・冷却プロセスを理解することで、幅広い素材への展開や従来法では得られない新規材料の創出が期待されます。液中レーザープロセスでは高密度・高エネルギー状態の液相反応場が容易に形成されます。この場を利用したものに、ナノ秒パルスレーザーを液中のナノ粒子に照射することでサブミクロン球状粒子を合成する手法があります(図1)。この手法は「液中レーザー溶融法」と称され、容器全体を⻑時間加熱する従来の方法と対極をなす局所(ナノ粒子)・短時間(ナノ秒)加熱の熱加工プロセスとして注目されています。プロセスを実験的に観察することは困難です。これは、粒子の特性(サイズ・結晶性・組成)を制御する方法や高効率の粒子合成法を確立する上で問題になっています。当研究グループでは、パルスレーザーのパラメータが生成粒子に及ぼす影響を評価することによって、粒子生成プロセスを理解することを目指しました。粒子の生成プロセスを理解するために導出した微分方程式が、学部で学んだ数学では解を得られない式でした。そのような状況のときに、ALPの必修科目であるフロンティア数理物質科学IIを受講しました。この講義では、数学専攻出身の黑田紘敏ALP特任准教授がALP生向けに数理連携のために必要な数学の基礎知識を紹介してくださいます。講義の中に数値解析の基礎を学ぶ機会があり、近似解法を用いることで方程式の近似解を一定の誤差範囲で求められることを知りました。この講義をきっかけに、粒子の加熱・冷却プロセスを求める理論モデルを構築して、習得した近似解法を用いて数値解析することを着想しました。QE1の課題に設定して、数学専攻の⻑山雅晴教授にアドバイスをいただきながら取り組みました。本研究では、近似解法を用いて粒子の加熱・冷却プロセスを解析することに成功し、粒子の温度変化をナノ秒スケールで計算することができるようになりました。この解析では冷却の影響を考慮して粒子温度を求められ、粒子が融点以上まで加熱された場合にサブミクロン球状粒子を生成することが明らかになりました(図2)。以前は、レーザー照射前後の状態しか観察することができず、粒子が生成している間に起こる現象の理解が進んでいませんでした。フロンティア数理物質科学IIで学習した数理的な知見を用いることで、現象の時間スケールや各パラメータの影響が数値化され、液中レーザー溶融法における粒子生成プロセスを予測することができるようになりました。液中レーザー溶融法を利用することで、従来の加熱では不可能な急熱急冷プロセスを実現することができます。液中レーザー溶融法の粒子生成プロセスを解明することは、急熱急冷プロセスの制御による新規材料の合成や、合成法の最適化による粒子の大量合成に繋がります。幅広い分野に応用されることが期待されます。解析結果より、液中レーザー溶融法における粒子生成プロセスがどのような現象か明らかになりました。今後は、この知見から液中レーザー溶融法によって機能性粒子を合成するための適切な条件を予測し、実際に産業応用されるような新材料の創出を目指します。(B)(課題番号:26289266)と若手研究(B)(課題番号:26870908)より助成を受け行われました。