2016 Fiscal Year Annual Research Report
定常電場下で駆動する直流型ナノ・マイクロモーターおよびポンプの創出
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16H06125
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
山本 大吾 同志社大学, 理工学部, 助教 (90631911)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロモーター / 自励振動 / 非平衡現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，プロセスのダウンサイジングは注目を集めているが，それに伴って微細加工技術(MEMS)が盛んに研究されている．微小空間における技術のさらなる発展のためには，そのスケールで効率的に駆動する動力源の提供が必要となる．本研究の予備的な実験として単純な形状の固体粒子を含む油中に針状電極を配置して直流電圧を印加することで，自転や公転運動などの比較的単純な周期運動が発現することを見出している．今年度は，単純な形状の固体粒子の代わりに特徴のある固体粒子として，コイル状粒子および歯車型粒子を用いることで，粒子の形状を変化させることで運動にどのような変化が見られるかを検討した．
コイル状粒子では，振動運動の他に，新たな運動モードとしてコイルの長軸周りの回転運動が発現することを見出した．これらの周期運動は，電圧によって速度を制御することが可能である．また，運動停止時の電圧よりも運動開始時の電圧のほうが高いというヒステリシスの発現を確認した．
歯車型粒子を用いた実験では，自転運動や公転運動の他に，自転運動を伴った振動運動を観測した．さらに，これらの異形粒子に関して対流の可視化実験を行うことで，電圧印加によって誘起される電極間近傍の対流によって粒子の特徴的な運動が発現することを見出した．
また，実験自体は予備的な検討に留まっているが，粒子の周期運動が発生している間，電極間に流れる微弱な電流値変化を測定できる装置を，試行錯誤の末，作製した．ピコアンペアレベルの電流値の変化を検出できる本装置は，今後，粒子の周期運動が発現するメカニズムを解明する上で非常に有用であると考えられる．
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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
特徴的な形状の粒子を用いることで新たな運動モードを発現できることを見出しており，電圧や粒子形状を変化させることで用途に応じたマイクロモーターを創成できることが期待されるためである．また初年度の成果をまとめた論文を投稿中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度得られた結果を基に，各運動モードが発現する典型的な実験条件に関して，電極間に流れる電流値や粒子のゼータ電位の時間変化を測定し，本システムの電気化学的性質を調べる．また，理論的検討では，電気化学的な機構を組み込んだ運動モデルを構築する．まず，様々な電極配置に関して，ラプラス方程式を用いて電位プロファイルを計算する．そして，誘電分極した様々な形状の粒子を球形要素の集合体と見立て単純化し，並進方向，回転方向それぞれに対して粘性抵抗，および電気化学的な力の項を考慮に入れて運動方程式を解く．推進力については電位プロファイルから静電力および誘電泳動力を見積もり，粘性抵抗は実際の粒子運動の速度変化、粒子形状からそれぞれ推算し，実験結果との比較を行う．粒子サイズが小さい場合にはこれに加えて，熱揺らぎの項も加える．以上のことを考慮しても，粒子の運動を再現できない可能性があるが，その場合にはその他の要因を考える。例えば、界面活性剤を用いているため、逆ミセルなどの分子集合体による移流の影響などがあれば，このモデルからのずれが予想されるが，この場合には界面活性剤濃度を変えるなどして分子集合体の形成を制御して実験する必要がある．以上の検討から，粒子形状や電場によって異なる各種運動を表現できる包括的なモデルを提案するとともに，諸因子を操作することで運動指向性を予測して自律運動を自在に制御することを目指す．更に，そうしてできた数理モデルに関して，無次元パラメータを導入することで運動の物理を理解して本実験条件とは異なるスケールのシステムにおいても運動を予測可能なモデルを作成し，マイクロからナノへダウンサイジングする際の設計指針を確立する．
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Research Products
(4 results)
