多孔質媒体

材料科学において、多孔質媒体または多孔質材料とは、細孔（空隙）を含む材料のことである。 ^[1]材料の骨格部分は、しばしば「マトリックス」または「フレーム」と呼ばれる。細孔は通常、流体（液体または気体）で満たされている。骨格材料は通常固体であるが、泡のような構造も多孔質媒体の概念を使用して有用に分析されることが多い。

多孔質媒体は、ほとんどの場合、その多孔度によって特徴付けられます。媒体のその他の特性 (例:透過性、引張強度、電気伝導性、屈曲度) は、その構成要素 (固体マトリックスと流体) のそれぞれの特性と媒体の多孔度および細孔構造から導き出されることがありますが、このような導き出しは通常複雑です。多孔度の概念さえも、多孔質弾性媒体の場合のみ単純です。

多くの場合、固体マトリックスと細孔ネットワーク（細孔空間とも呼ばれる）は両方とも連続しており、スポンジのように 2 つの相互浸透連続体を形成します。ただし、閉じた多孔度と有効多孔度、つまり流れにアクセス可能な細孔空間 の概念もあります。

岩石や土壌（帯水層、石油貯留層など）、ゼオライト、生物組織（骨、木材、コルクなど）、セメントやセラミックなどの人工材料など、多くの天然物質は多孔質媒体とみなすことができます。それらの重要な特性の多くは、多孔質媒体と見なすことによってのみ合理的に説明できます。

多孔質媒体の概念は、ろ過、力学（音響、地質力学、土質力学、岩石力学）、工学（石油工学、バイオレメディエーション、建設工学）、地球科学（水文地質学、石油地質学、地球物理学）、生物学および生物物理学、材料科学など、応用科学および工学の多くの分野で使用されています。多孔質材料の現在の2つの重要な応用分野は、エネルギー変換とエネルギー貯蔵であり、多孔質材料はスーパーパシタ、（光）触媒、^[2]燃料電池、^[3]およびバッテリーに不可欠です。

多孔質媒体は、ミクロレベルとマクロレベルで分類することができます。ミクロレベルでは、構造は、細孔サイズの分布、細孔の相互接続と配向の程度、デッドポアの割合などによって統計的に表されます。^[4] マクロ技術では、細孔サイズよりもはるかに大きなスケールで平均化されたバルク特性を利用します。^{[4] [5]}

目的に応じて、これら2つの手法は相補的であるため頻繁に使用されます。高分子溶液からの高分子の吸着や細孔の閉塞などの表面現象を理解するには微視的記述が必要であることは明らかですが、流体の流れ、熱、質量移動が最も重要であるプロセス設計には、マクロ的アプローチで十分であることがよくあります。分子の寸法は多孔質システムの細孔サイズよりも大幅に小さいです。^{[4] [6]}

多孔質媒体を通る流体の流れは共通の関心事であり、独立した研究分野として出現しました。固体フレームの変形を含む多孔質媒体のより一般的な挙動の研究は、ポロメカニクスと呼ばれます。

多孔質流の理論は、インクジェット印刷^[7]や核廃棄物処理^[8]技術などに応用されています。

多孔質媒体中の流体の流れには多くの要因が影響を及ぼしますが、その基本的な機能はエネルギーを消費し、坑井を通して流体を生成することです。多孔質媒体を介した流れの力学では、エネルギーと流量の関係が最も重要な問題になります。この関係を特徴付ける最も基本的な法則はダルシーの法則であり、^[9]特に細孔媒体に適用されます。対照的に、フォルヒハイマーの法則は粗孔媒体のコンテキストで有用です。^[10]

多孔質材料の内部に存在する空隙相を、細孔の集合またはネットワークを使用して表現したもの。これは輸送パラメータの予測のための構造的基礎として機能し、細孔構造の特性評価の文脈で使用されます。^[11]

細孔構造の理想的なモデルは数多く存在します。それらは大きく 3 つのカテゴリに分類できます。

• 毛細血管のネットワーク
• 固体粒子の配列（例：球のランダムな密集）
• 三峰性

多孔質材料はフラクタルのような構造をとることが多く、徐々に解像度を上げて見ると、細孔表面積が無限に大きくなっているように見えます。^[12]数学的には、これは細孔表面に2より大きいハウスドルフ次元を割り当てることによって記述されます^。[13]細孔構造を調べるための実験的方法には、共焦点顕微鏡^[14]やX線トモグラフィーなどがあります。^[15] 多孔質材料は、自動車分野を含む多くの工学分野でいくつかの用途が見出されています。^[16]

多孔質材料の法則の一つに一般化マレーの法則がある。一般化マレーの法則は、与えられた体積の細孔内の輸送抵抗を最小化することで物質移動を最適化することに基づいており、質量変化を伴う物質移動や、流動過程、分子またはイオン拡散を伴う化学反応の最適化に適用できる。^[17]

半径r ₀の親パイプを半径r _iの多数の子パイプに接続する場合、一般化されたマレーの法則の式は次のようになります。ここで、X は親細孔での質量移動中の質量変化率であり、指数α は移動の種類によって異なります。層流の場合α =3、乱流の場合α =7/3、分子またはイオン拡散の場合α =2 などです。 ${\displaystyle r_{o}^{a}={1 \over 1-X}\sum _{i=1}^{N}r_{i}^{a}}$

• セノセル
• ナノ多孔質材料
• 多孔質媒体におけるNMR
• 浸透理論
• 浸透閾値
• 網状フォーム
• 濾過
• ポロメカニクス
• 反応輸送
• 透過性

• J. ベア (1972)多孔質媒体における流体のダイナミクス(エルゼビア、ニューヨーク)

• 透過性の定義
• 透過性を制御するための多孔質媒体の調整
• 透過性の異なる材料を通過する異なる流量のグラフ表示
• 多孔質媒体における流体の流れの基礎