2019 Fiscal Year Research-status Report
エバネッセント光による微粒子操作技術の確立に向けた界面近傍熱流動に関する実験計測
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18K13701
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
栗山 怜子 京都大学, 工学研究科, 助教 (70781780)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | エバネッセント光 / 固液界面 / 微粒子操作 / 光圧 / 熱泳動 / 温度計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はエバネッセントフォトンを利用した界面近傍領域における微粒子操作技術の確立に向けて，粒子周囲の熱流動場を計測・解析することにより，粒子と光と熱流動が相互作用する系の体系的な理解を行うことを目的とする．エバネッセント場で捕捉・輸送される粒子(群)の運動状態とその周囲の温度場を同時に計測するための蛍光観察システムの構築を行い，熱対流・熱泳動が粒子操作に与える影響について実験的に評価する．従来研究で報告されている光圧に関する知見と，本研究で得られる熱流動場に関する知見を統合することで，実流動場において高精度な粒子操作を実現するための定量的な指針を示す．このために本年度実施した内容を以下に述べる．
(1)レーザ光を用いた粒子操作用エバネッセント光照射システムの構築を行い，エバネッセント場中の粒子運動に関する基礎データの取得に取り組んだ．近赤外および可視レーザ光を用いて発生させたエバネッセントスポット内で，マイクロ粒子（直径1～10um）がレーザの進行方向に～1um/秒の速度で駆動されることを確認した．
(2)薄膜電極を敷設した熱泳動評価用マイクロデバイスを作製し，熱泳動によるマイクロ粒子の運動特性評価を行った．昨年度行った温度場の数値計算結果に基づいてデバイスを設計し，流路内に10K/mm程度の急峻な温度勾配を形成することに成功した．このデバイスを用いて通電開始から数分間の各種マイクロ粒子の熱泳動現象を観察し，レーザ誘起蛍光法(LIF法)により計測したバルクの流体温度分布と照合することで，各種粒子の熱泳動移動度の算出が可能になった．
(3)前年度開発した壁面近傍流体温度計測の欠点を克服するため2色LIF法に基づく温度計測手法の開発に取り組んだ．蛍光の2波長帯の強度比に基づいた温度校正を行うことでレーザ光強度の時空間的変動の影響を受けにくくなり，計測精度が±2℃まで改善された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は，エバネッセント光による粒子操作用光学システムのベースを構築して実際の粒子運動の観察を行うとともに，マイクロデバイスを用いた熱泳動による粒子運動の評価を行った．前者の成果については日本機械学会関西支部 関西学生会2019年度学生員卒業研究発表講演会にて，後者の成果は同支部第95期定時総会講演会で発表している．このように本年度は，エバネッセント場および非一様な温度場における粒子運動に関する基本的なデータの収集に着手しており，研究計画全体の円滑な遂行に向けて一定の進展が得られたと考える．一方で，年度後半には課題代表者の出産に伴う産休・育休により研究活動を中断することとなり，各種実験条件（粒子の屈折率，電位，粒径，素材，光の偏光方向や強度，入射角，流れ場の温度分布や勾配）が粒子運動に与える影響について十分にデータを蓄積するには至らなかった．そのため，次年度にはこれらのデータ収集に努めると共に，得られた結果を統合し，実流動場においてエバネッセント光により粒子操作を実現するための定量的な指針を示すことを目標とする.
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，(1) エバネッセント場および熱流動場が粒子運動に与える影響について実験データの収集・解析・整理し，(2) 従来研究の知見と照合しながら駆動原理の検証を行うとともに，エバネッセント場における粒子運動に関する体系的な理解を目指す．更に，(3)得られた知見に基づいて光と熱を利用した新たな輸送方法や集積化法を提案する．今後の研究計画を遂行する上での具体的方法・留意点を以下に記す．
(1)前年度に引き続き，全反射粒子操作システムおよび温度計測システムを用いて，各実験条件における粒子運動の計測とその周辺の温度場計測を行う．具体的には光学的条件（光の偏光方向や強度，入射角）や熱的条件（流れ場の温度分布や勾配）を変化させて実験を行い，光と熱が各種粒子の挙動に与える影響についてデータを収集・解析する．なお，LIF法に基づく温度計測の測定精度向上についても前年度に引き続き取り組むこととする．
(2)(1)のデータと従来研究の知見とを照合しながら，駆動原理の検証を行う．光および熱流動場の影響を受けるエバネッセント場中の粒子運動に関する知見を体系的にまとめ，実流動場において高精度な粒子操作を実現するための定量的な指針を示す．
(3)上記で得られた知見に基づいてマイクロ粒子に働く光圧，流体力，熱対流，熱泳動の影響を考慮し，光と熱を利用した粒子の補足・輸送・集積デバイスの開発を行う．具体的には，デジタルミラーデバイスなどを利用してバネッセント波の照射領域や照射時間を高速・高精度に制御すること，定常波・進行波の切り替え等を行うことで新たな輸送制御の提案を検討している．
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| Causes of Carryover |
課題代表者の出産に伴う産休・育休のため本年度10月～3月の間は研究活動を中断した．そのため2019年度は様々な実験条件におけるデータ収集を実施するには至らず，光学システムの改良に関連する波長板，ミラー，フィルター等の費用や，粒子運動の評価に用いるマイクロ粒子や色素に関連する費用が当初の予定よりも少額となった．また，国内外の学会への参加が減ったため当初の予定よりも旅費や学会参加費等が抑えられ，その結果として次年度使用額が生じることとなった．来年度分として請求した助成金は，本年度達成できていない各種条件における実験データ収集のために使用する他，当初の最終年度の計画通り，光と熱を利用した新たな粒子輸送・集積デバイスの開発や，国内外における成果発表のための旅費や学会参加費として使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
