2017 Fiscal Year Annual Research Report
流れ計測に基づいたナノすきま流体潤滑の理論体系の構築
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17H01243
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
福澤 健二 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60324448)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 伸太郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (50377826)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ナノトライボロジー / 潤滑 / MEMS / 蛍光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，微小すきまにおける潤滑剤分子の流れ計測法の要素技術確立に着手した．具体的には，マイクロ流体デバイス作製法の確立と計測系の立ち上げを行った．詳細は以下の通りである．
微小すきまでの流体特性は，すきまに大きく依存するため，流れ計測には，すきま（深さ）一定の流路が必須である．すきま一定の流路から成るマイクロ流体デバイスを設計し，マイクロマシン技術を用いて作製を試みた．フォトリソグラフィーを用いた反応性イオンエッチング法を用いて流路構造を作製し，さらに集束イオンビーム（FIB）エッチング法によりシリコン基板に微小深さの溝（段差）を設けた．このマイクロ流路構造を設けたシリコン基板に，陽極接合法を用いてガラス基板を接合し，溝を封止することで，微小深さ（すきま）の流路を有するマイクロ流体デバイスを作製した．流路の設計・作製については，学内の微細加工施設を利用した．
そして，作製したマイクロ流体デバイスの流路内を蛍光分子を溶かした潤滑剤を模した液体で満たし，蛍光分子の運動を計測した．蛍光分子の運動計測法としては， 1分子レベルの蛍光分子の蛍光強度の時間的な変化を計測する方法を用いた．そして，得られた時間変化から拡散係数を算出することを試みた．蛍光分子を適切に選定すれば，本原理を用いたマイクロ流路における拡散係数の定量化が原理的に可能であることを確認できた．さらに，ナノ深さ流路に適用するには，SN比の向上が重要であることも明らかになった．
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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
微小すきまにおける潤滑剤分子の流れ計測法の要素技術確立に着手し，当初目標としていた，マイクロ流路の作製法と蛍光計測を用いたマイクロ流路内の流れ計測の原理確認について，おおむねねらいを達成することができた．これとともに，当初想定していなかった課題を明らかにすることができた．詳細は以下のとおりである．
・マイクロ流路の作製法
マイクロマシン技術を用いた作製法を試み，微小深さの流路を有するマイクロ流体デバイスを形成できることを明らかにした．
・蛍光計測を用いたマイクロ流路内の流れ計測
流路内の潤滑剤を模した液体に蛍光分子を混ぜ，1分子レベルの蛍光分子の蛍光強度の時間的な変化を計測し，得られた時間変化から拡散係数を算出することを試みた．蛍光分子を適切に選定すれば，マイクロ流路における拡散係数の定量化が原理的に可能であることを確認できた．さらに，ナノ深さ流路に適用するには，SN比の向上が重要であることも明らかになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，マイクロ流体デバイスの作製法と計測系の原理確認を行った．これらの結果を受けて，今後は以下の研究項目を実施する．
（１）ナノすきまの圧力流れ計測：蛍光計測を用いた流れ計測法
前年度までに着手したマイクロ流体デバイスを用いた流れ計測について，拡散係数の算出を試み，蛍光分子濃度など計測に適した条件を求める．さらに高感度光検出の導入，蛍光分子の種類などを調整し，SN比の向上を図る．この研究結果を基に，流入口に圧力を印加可能な系の構築に着手する．本研究においても，比較的すきま（深さ）の大きな流路を対象として原理確認を進める．
（２）ナノすきまのせん断流れ計測：力・すきま同時計測法
エリプソメトリー顕微鏡を基にした，力・すきま同時計測法を用いたせん断流れ計測系の構築に着手する．本計測においても，圧力流れ計測と同様に，すきま一定の条件で行うことが必須である．そこで，球面と平面から成る摺動面は，比較的高い荷重で摺動したとき，弾性変形により互いに平行な平坦部を形成し，すきま一定の摺動面となることを用いる．球面状の摺動面を持った摺動子を，水平・鉛直方向に変形する二組の平行板ばねなどで支持する構造とし，板ばねなどの変位をレーザドップラ振動計やレーザ変位計などで測定し，摩擦力と荷重を得る．すきま変動を小さくするため，試料基板を支えるステージを振動させることで摺動する．以上のような摺動すきまおよびせん断力計測系の構築に着手する．
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