2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a 3D3C super-resolution measurement method for flow velocity distribution in nanospace utilizing defocusing particle image with light interference
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19H02061
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
嘉副 裕 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (20600919)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花崎 逸雄 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10446734)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ流路 / 粒子追跡法 / 流速分布 / デフォーカス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体工学が光の波長より小さいナノ空間へと進展している。しかし、空間が幅・深さ数100 nm以下になると液体の物性変化など様々な特異的現象が発現するため、この空間の物質輸送を明らかにする超解像度（10 nm分解能）の流速分布計測が重要となる。本研究では、レンズの結像で問題となる球面収差を積極活用・制御して、非焦点領域の粒子像からナノ粒子の位置を10 nm分解能で検出するデフォーカス・ナノPIVを開発する。具体的には、研究項目A）ナノ粒子のデフォーカス像の解析と超解像度分解能の検証、研究項目B）計測システム構築と条件の検討、研究項目C）ナノ流路の流速分布計測の検証に取り組む。
2020年度は、2019年度に実施した非焦点ナノ粒子像の解析結果およびランジュバンシミュレーションによるナノ粒子挙動の解析結果にもとづき計測システムを構築した。150倍、開口数1.45、球面収差0.21λの対物レンズを選定し、時間分解能160μsを実現する超高感度計測システムを構築した。ナノ粒子像の画像解析アルゴリズムを構築し、10 nmオーダの空間分解能を実現した。深さ400 nmのナノ流路を作製して蛍光ナノ粒子を送液し、非焦点ナノ粒子像を撮像した。サイズが異なるナノ粒子で実験を行ったところ、40 nmより大きな粒子で十分なS/Nを有する蛍光画像が得られた。60 nmの蛍光ナノ粒子を用いて圧力駆動流を測定し、壁面での流体のスリッピングという特異な現象を示唆する粒子速度速度分布を得た。これは、代表者が過去にエバネッセント波を用いた超解像度計測により得た結果と一致するものである。今後、流路サイズ、粒子サイズを変えた条件で実験を行い、引き続き現象解明に取り組む。
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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
当初計画の通り、2019年度の結果にもとづき研究項目Bの計測システムの構築と条件の検討を進めることができている。また、研究項目Cのナノ流路の流速分布計測にも着手できている。よって、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で新規に開発したデフォーカス・ナノPIVで得られたナノ流路の粒子速度分布は、代表者が過去に開発したエバネッセント波によるナノPIVで得られた結果と同じく、流路壁面で流体のスリッピングを示唆するものであった。これは従来理論と一致しない結果であり、更なる検討が必要である。そこで、流路サイズ、粒子サイズを変えた条件において実験を行い、引き続き現象解明に取り組む。
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Research Products
(8 results)
