高濃度ナノフルイドの動的界面挙動に関するメゾスコピック解析

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04548
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 塚田 隆夫 東北大学, 工学研究科, 教授 (10171969)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 阿尻 雅文 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (60182995) ; 小宮 敦樹 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (60371142)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: ナノフルイド / コンタクトライン / 超臨界水熱合成 / 位相シフトエリプソメトリ / 数値シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

金属や金属酸化物等のナノ粒子を高濃度に分散した懸濁液である高濃度ナノフルイドの塗布工程において重要な現象の一つに，気／液（ナノフルイド）／固（基板）３相接触線（コンタクトライン）の移動，すなわち動的濡れがある。本研究では，種々の溶媒に高濃度でナノ粒子を分散したナノフルイドを対象とし，各種表面処理したSi基板上をナノフルイド液滴が移動する際のコンタクトライン近傍のメニスカスの形状及びその動的挙動をその場観察と数値シミュレーショにより明らかにすることを目的とする。本年度は，以下の項目を実施した。
１ メニスカスの動的挙動のその場観察装置の設計・製作：　Si基板上にナノフルイド液滴を付着させ，基板上を移動する液滴のコンタクトライン近傍のメニスカスの３次元形状及びその時間変化を測定するための位相シフトエリプソメータを開発した。また，Si基板表面に製膜したSiO2薄膜（膜厚既知）を対象として，その膜厚を開発したエリプソメータにより測定し，本測定系の妥当性を確認した。
２ メニスカスの動的挙動のその場観察：　溶媒としてポリジメチルシロキサン(PDMS)を，ナノ粒子としてPDMSをグラフト重合したSiO2粒子(平均粒子径14 nm)を用い，ナノ粒子濃度0及び0.34 wt%のナノフルイドを調整し，このナノフルイド液滴がSi基板上を拡張する際のコンタクトライン近傍のメニスカスの動的挙動のその場観察を行った。結果として，1 cStのシリコンオイルに関して，ナノ粒子濃度0及び0.34 wt%のナノフルイドいずれにおいてもマクロコンタクトラインに続く先行薄膜の存在を確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の最重要実施項目であった位相シフトエリプソメトリに関るハードウェア及びソフトウェアいずれも完成することができ，さらに測定の妥当性の検証に続き，シリコンオイル系ではあるが，コンタクトライン近傍のメニスカスの動的挙動の観察まで実施できたことに基づく。

Strategy for Future Research Activity

本年度実施したシリコンオイル系のその場観察を進め，先行薄膜の形状及び運動に関る定量的な考察を行うとともに，超臨界水熱合成法により合成したナノ粒子を含むナノフルイドのコンタクトライン近傍のメニスカスの挙動に関するその場観察を実施する。さらに，ナノ粒子の運動と溶媒の流動を連成した数値シミュレーションを実施し，その場観察との比較検討を行う。