2020 Fiscal Year Annual Research Report
動的濡れを駆使した自発的『メニスカス・ポンプ』機構の解明と最適化
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19H02083
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
上野 一郎 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (40318209)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀 琢磨 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50791513)
元祐 昌廣 東京理科大学, 工学部機械工学科, 准教授 (80434033)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メニスカス・ポンプ / 動的濡れ / メニスカス / 表面張力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，『動的な濡れ』力学を駆使した『メニスカス・ポンプ』機構，すなわち，系外からの新たなエネルギー注入を必要としない超高効率液滴搬送機構の解明を目的とする．今年度はCOVID-19感染拡大における入構禁止措置等の影響により，主に数値解析による研究活動を重点的に行ってきた．マクロ的研究では，平滑基板上を濡れ広がる薄液膜前縁部との相互作用によって自発的に形成するメニスカス内部を対象とし，局所レイノルズ数および圧力の分布を詳細に解析するコードを開発した．これらのデータをベースとして，海外共同研究者グループと定期的に遠隔での打合せを集中的に実施してきた．現在，当該内容に関する投稿論文原稿を海外共同研究者グループとともにまとめている段階である．さらに，本数値解析によって得られた知見をもとに，実験での解析系を議論しており，感染拡大の抑制が実現されれば実験を集中的に実施するべく準備を進めている．また，ミクロ的研究においては，静的および動的接触角と液膜前縁部移動速度の関係について，分子動力学的解析を研究分担者とともに進めてきた．特に，液膜を形成する液体分子と平滑基板を形成する固体分子の間に働く相互作用の強さおよび基板粗さをパラメータとして上記関係を体系的に示す道筋を作り上げた．こちらの内容に関しても，現在投稿論文原稿をまとめている段階である．
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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
本研究の申請時に掲げた目標は以下の４点である．【目標 1】液滴前縁部が基板上構造物に接触した際のコンタクトライン移動・メニスカス形成と，それに伴う液膜内速度場・圧力場計測を通じた，構造物周りの加速・減速機構の解明，【目標 2】複数の基板上微小構造との相互作用時の先行薄膜領域の実験的定量化，および，分子動力学によるその応力場解析，【目標 3】先行薄膜の過渡的形成過程を含むミクロスケール動的濡れ効果を導入した理論モデルの構築，【目標 4】液滴前縁部の駆動を連続的かつ効率的に実現する微小構造物群最適設計の体系化．このうち，目標１，２および３について，先述の通りCOVID-19感染拡大のため，実験による知見蓄積は遅れ気味となってはいるが，数値解析による知見蓄積がマクロ的，ミクロ的内容ともに想定以上に進展した．マクロ的現象に関しては，微小構造物周りに自発的に形成するメニスカス内部を対象とし，メニスカス発達に伴う局所レイノルズ数および圧力場の変化を抽出することによって，微小構造物後方への液体供給機構を明らかにした．ミクロ的現象については，分子動力学的解析により静的および動的接触角と液膜前縁部移動速度の関係を明らかにした．従来の研究で分子運動論的に示された当該関係を再現するとともに，液膜と基板間の化学的物理的相互作用の影響を定量化した．目標４についても，海外共同研究者グループとの遠隔による打合せ頻度をどうにか上げることによって進めることが出来た．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の研究において，特に数値解析による現象解析の進展があり，実験的アプローチにフィードバックする準備が出来た．2021年度においては，当初2020年度に実施を予定していた複数の微小構造物を用いた系における解析に注力し，特に，COVID-19の感染拡大が収束する状況においては，これまでの研究で判明している実験的アプローチが困難な領域の克服を目指したい．数値解析に関する成果は，学術誌への投稿・掲載を目指して準備を進めるとともに，これまで単一微小構造物を対象として蓄積した知見を，複数構造物の系に適用していく予定である．2021年度においても，2020年度と同様，（１）共同研究者を招聘し研究代表者のグループとの合同実験，（２）研究成果の国際会議での発表を予定していたが，現状では依然困難な状況にあるとの認識に立ちながら，可能な限りの研究活動を進めていく予定である．また，昨年度までの研究成果を学術雑誌等の媒体に発表していきたいと考えている．
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Research Products
(6 results)
