2020 Fiscal Year Annual Research Report
粘弾性マイクロジェットの能動制御と次世代製造プロセスへの展開
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20H00223
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
田川 義之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70700011)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長津 雄一郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60372538)
安藤 景太 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30639018)
山中 晃徳 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50542198)
田中 あかね 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (80418673)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 粘弾性流体 / マイクロジェット / 液滴衝突 / レオロジー / 伸長粘度 / 高速度計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，衝撃力を利用した超音速・高粘度マイクロ液体ジェット生成法（代表者の開発技術）に基づき，ジェットの伸長・分裂・衝突という医学・工学応用に不可欠な各要素の物理機構解明・能動制御を達成するため，次世代製造プロセスにとって需要の高い粘弾性液体ジェットに焦点を絞り，学術的に未解明な特徴的挙動を解明に取り組んだ．まず，粘弾性マイクロ液体ジェットの大伸張プロセスの解明・制御のために，ジェットが大きく伸長した後，分離せずに出戻る現象に着目した．伸長速度は従来のレオメータの計測限界の100倍以上に達しており，既存の粘弾性理論モデルを外挿して求めた伸長粘度等を用いても実現象を定量的に説明できない．そこで従来の粘弾性計測範囲を３桁拡張させた実験データベースを構築した．高度な化学知識を要するため専門家である分担者（長津）と協働した．次に粘弾性マイクロ液体ジェットの分離・マイクロ液滴形成プロセスの解明・制御のため，粘弾性流体の液糸の分離過程を実験的に調査した．ジェット分離位置・時間を測定した結果，粘弾性マイクロジェットでは分離に至るまでに顕著な伸張効果が確認され，可視光カメラの解像限界(500 nm)以下の液糸が数秒間も持続し，液滴を保持・合体させる現象が見られた．分担者（長津）所有のレオメータによりレオロジー特性の測定を行い，粘弾性特性が分離過程に与える影響を調査した．さらに，マイクロジェット先端から分離した高速マイクロ液滴が固体壁に衝突した場合，従来理論に反して液滴が飛散しない現象を調査した．この原因は，従来理論が立脚する連続体仮定が適用できないためと考えられた．そこで新たな物理描像に基づく理論を構築した．最後に，上記の知見を活用したマイクロジェット伸張衝突制御と次世代製造プロセスへの展開に向け分担者（田中・山中・安藤）と協働した．
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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
おおむね当初計画通りの成果が得られた．粘弾性マイクロ液体ジェットのにおいて，大伸長したあと，分離せずに出戻る現象について詳細な実験を行った．本研究について，分担者（長津）と共に学術論文（Franco-Gomez, Yokoyama, Onuki, Nagatsu, & Tagawa, 2021, Experiments in Fluids）を発表した．また，マイクロサイズの液滴が従来理論に反して飛散しない現象について，従来理論が立脚する連続体仮定が適用できないことを踏まえ，新たな理論を構築した．液滴下の空気薄膜厚さが70 nm以下となり，気体分子の平均自由行程を下回る（クヌッセン数が1以上となる）ことに着目し，希薄流の理論を組み込んだ新しいモデルを構築した．その結果，理論と実験の良い整合が得られた．本理論は国際共同研究によって推進し，その成果を専門雑誌（Usawa, Fujita, Tagawa, Riboux, & Gordillo, 2021, Physical Review Fluids）に発表した．粘弾性液体である血液の固体壁への衝突について分担者（田中）と共同実験を実施し，成果を国際学会にて発表した（横山ら，2021）．また，本プロジェクトに関連する現象についての研究を行い，国際雑誌および国際学会等に成果を発表した．
以上のように研究が計画に沿って順調に進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も研究の当初計画に沿って進める．粘弾性マイクロ液体ジェットの大伸張プロセスの解明・制御のため，理論モデルとして近年有望視されているFENEモデルによりジェットの特異挙動の説明を試みる．さらにジェットが出戻らず常に分離プロセスへ至るようジェットを制御する．主に分担者（長津）と協働する． また粘弾性マイクロジェットの顕著な伸張効果について，表面張力に誘起される形状不安定がジェットの高伸長速度・高粘度により大幅に抑制されたためと考えられる．そこで分担者（長津）所有の応力制御レオメータ(ARES-G2)により界面レオロジー特性の大変形振動せん断流れ(LAOS)測定結果を考慮して分離理論を構築する．ジェット速度・粘度・サイズを変化させた系統的な実験を行い，粘弾性流体の粘弾性特性が分離過程に与える影響を調査すると共に，分担者（安藤）が開発済みの粘弾性流体モデル(Voigtモデル)を基盤とした数値解析により検証を進める．
分担者（田中）と粘弾性流体（動物血清）の衝突実験を行なった結果，微小変形下でのレオロジー特性（微小振幅振動粘弾性特性）が同じにも関わらず衝突挙動が異なる結果が得られた．液滴衝突時には大変形下での粘弾性特性が重要であることを示唆しており，大振幅振動（LAOS）粘弾性測定を行い，その結果と衝突挙動との相関を調べる．最終的に，上記を活用したマイクロジェット伸張衝突制御と次世代製造プロセスへと展開する．
研究を加速させるため，特任助教を雇用する．また本大学院生（Yee, 畠中，横山，釜本，木村，保田，池田，西，石川，松本，河合，市原，中峰，飯島），および学部生（五十嵐，渡部，関口，細川，Worby）の協力を得る．
以上により，得られた成果については国際・国内学会および学術論文として積極的に発表する．
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[Presentation] Surface-seal changes with impact speed2020
Author(s)
Kiyama, A., Rabbi, R., Speirs, N., Belden, J., Tagawa, Y., and Truscott, T.
Organizer
73rd Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics (APS DFD)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Bubble growth during ``magic carpet breakup`` of a drop on a heated substrate2020
Author(s)
Hatakenaka, R., Harth, K., Roisman, I. V., Tropea, C., Lohse, D., and Tagawa, Y.
Organizer
73rd Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics (APS DFD)
Int'l Joint Research
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