| Project/Area Number |
21H01775
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
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| Research Institution | Toyo University (2022-2023)
Tokyo University of Science (2021) |
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Principal Investigator |
甲斐 洋行 東洋大学, 理工学部, 准教授 (00760167)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
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| Keywords | 開放型流路 / 空間充填木 / ジェネレーティブデザイン / 表面濡れ性 / 流体解析 / 開放型マイクロ流路 / 濡れ性 / 表面張力 / フラクタル / 自由表面流れ解析 |
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| Outline of Research at the Start |
研究代表者はフラクタル状に多数の分岐を有する親水性流路をマイクロパターニングした開放型流路を考案し，表面に付着した微小な液滴を階層的に輸送することで効率的に基板の中心に液体が収集されることを見出した。この「フラクタル流路」は，少数の幾何学的パラメータから複雑で多彩な構造を生成することができ，構造により水滴収集性能が劇的に変化するという興味深い特徴を有する。本研究ではこれらのフラクタル流路における構造と特性・液滴輸送性能の相関について，実験・シミュレーション・数理的な分析により系統的な理解を深める。さらに，液滴輸送を用いた新しいメカニズムによる油水分離機能の開拓を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
階層的な分岐構造を多数有し、毛管力によって基盤表面上で油滴を輸送・収集するフラクタル開放型流路を、撥油表面上に親油性の流路をパターニングすることによって構築した。まず、洗浄したガラス基板をトリクロロメチルシラン（TCMS）のトルエン溶液に浸漬して、TCMSの加水分解によってシリコーンナノフィラメントを形成することで、微細な凹凸を有する親油性の基板を作製した。その基板に対して、ポジ型フォトレジストを用いたフォトリソグラフィによって、一部を親油性の部位を残し1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルシランによる撥油性のコーティングを施した。これにより、撥油性の基板上に親油性のフラクタル開放型流路を形成した。得られたフラクタル開放型流路の基板に対してヘキサデカンの液滴をスプレーノズルで噴霧したところ、噴霧した液体の60%以上が数秒以内に流路中心部に収集されることが確認された。顕微鏡動画の解析により液滴が流路上の一方向輸送・分岐点での融合を繰り返すことにより収集が起こっていることが示唆された。また、流路の分岐世代数や開き角を変化させて収集量を測定したところ、分岐世代数7、かつ、開き角を5°以上に増大させた際に収集率が顕著に上昇することが明らかとなり、油滴収集におけるフラクタル開放型流路の有効性が示された。以前に実現していたフラクタル開放型流路による水滴の輸送・収集に、今回実現した表面張力の低い有機溶媒の液滴（油滴）の輸送・収集の技術を融合することにより、油水分離や多種液滴の操作が可能になると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
フラクタル開放型流路による油水分離の基盤技術の一つとなりうる、油滴輸送・収集流路の構築ができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
水滴・油滴をそれぞれ選択的に輸送可能な流路の作製手法について検討を進める。また、流路表面および液体の物性と液滴輸送のダイナミクスの関係について、実験とCFD（数値流体力学）解析を併用しながら理解を進める。
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