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

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02083
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 上野 一郎 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (40318209)
• 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, 教授 (80434033)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: メニスカス・ポンプ / 動的濡れ / メニスカス / 表面張力

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．今年度においてもCOVID-19感染拡大における活動制限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．マクロ的研究において，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解析対象とし，複雑な渦場が形成する過程を見出した．従来の研究では，慣性力の影響が大きい場合（無次元数Re > 1）に馬蹄渦が形成される知見が得られているが，本研究で対象としている系はRe << 1の対流場であり，海外共同研究者グループとその形成機構について徹底的な議論を繰り返し，毛管力駆動による渦場形成であるとの結論に到達した．また，当研究グループで実験的に見出してきた複数の柱状微小構造物を有する系でのメニスカス・ポンプ機構の促進について，その定量的評価を実現した．実験的研究においては，先述の数値解析による複雑対流場の発見に伴い，2022年度の実験実施に向け準備を進めている．

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に関し，特にマクロ的内容に関して想定以上に進展した．マクロ的現象に関しては，慣性力の影響が充分小さい系（Re << 1）において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，複雑流動場の発見およびそのメカニズムの解明に至った．この研究成果により，メニスカス・ポンプ機構に関する更なる研究課題の抽出に至ったことは想定以上の成果である．目標４についても，この複雑対流場の発見に伴い新たな知見蓄積に至っている．なお，研究活動を進めるにあたり，海外共同研究者グループとの遠隔打合せの頻度を努力して上げることによって実現に至ったが，本国および現地での共同実験の予定が全く実現していない状況は変わっていない．

Strategy for Future Research Activity

2021年度の研究において，前年度と同様，特に数値解析による現象解析の進展があった．実験的アプローチにフィードバックする検討を進めており，2022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たいと考えている．数値解析に関する成果，特に複雑対流場に関する成果に関しては，報告書作成時において学術誌への投稿済み，査読過程にある．複数の微小構造物に関する研究成果については，海外研究者とともに詳細な解析を進めている段階であり，学術雑誌への投稿に繋げていきたい．2022年度においても，2020年度，2021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，可能な限りの研究活動を進めていく予定である．
また，2021年度の研究活動での発見した複雑対流場については，あらたな研究課題の発見にも繋がっており，将来的な共同研究活動に向けた計画に反映していく予定である．