2020 Fiscal Year Annual Research Report
Toward Lab-in-a-drop: Contactless droplet manipulation by acoustic field
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20H02070
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
長谷川 浩司 工学院大学, 工学部, 准教授 (90647918)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 非接触流体マニピュレーション / 音場浮遊法 / 液滴 / Lab-in-a-drop / 混相流 / 非線形ダイナミクス / 反応 / 蒸発 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、音場浮遊液滴に生じる流動、熱・物質輸送現象ならびに浮遊液滴の安定制御条件の解明のために現象の支配的パラメータを同定し、複数プロセスの連続的操作を可能とすることを目指す。すなわち、Lab-in-a-dropの実現に向けた音響場による非接触流体マニピュレーションの概念実証を行うことを目的とする。
本年度は、液滴の浮遊から蒸発に至るプロセスを統合する前提として重要となる、各プロセスでの安定制御条件を系統的に検証した。これまで「浮遊～混合」プロセスまでの時間スケールが～数十秒程度であるのに対して、混合後の「反応～蒸発」プロセスは～千秒程度となる時間スケールで液滴の安定性を担保することが課題であった。そこで液滴の浮遊、輸送、合体、混合の後工程である「反応」とそれに続く「蒸発」に注力して系統的に実験情報を収集した。反応例として、酢酸を浮遊させ，浮遊液滴に水に少量の炭酸水素ナトリウム溶解した試料を注入することで二酸化炭素の発泡を誘起した。二酸化炭素の発泡時の反応液滴の体積は、当初の酢酸のそれから3倍程度に増加したものの、安定に保持可能であることを実証した。その後の「蒸発」に関しては、特に大粒径液滴の場合には最大1時間程度の液滴の安定保持に成功した。
得られた成果については、7件の学会発表を行い，7報の学術論文（原著論文6報、総説論文1報）を発表した．また音場浮遊法に関する初の専門書を国際共著で執筆（分担）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
本年度は浮遊液滴の「反応」および「蒸発」プロセスに着目して実験データを収集、分析した。「反応」前後での安定保持条件を明らかにするために、反応系を検討した。その結果、本研究では安全性や操作性を考え、酢酸と炭酸水素ナトリウムを用いた。具体的な手順としては、酢酸を浮遊させ、浮遊液滴に水に少量の炭酸水素ナトリウム溶解した試料を注入することで二酸化炭素の発泡を誘起した（CH3COOH＋NaHCO3→CH3COONa＋H2O＋CO2）。二酸化炭素の発泡時の反応液滴の最大体積は、当初の酢酸液滴のそれから3倍程度に増加したものの、安定的に浮遊可能であることを実証した。
「蒸発」に関しては、種々の単成分や多成分系液滴のみならず、塩化ナトリウム水溶液のような水分の蒸発後に析出した溶質試料の浮遊および安定保持を達成した。特に大粒径液滴の場合には最大1時間程度の液滴の安定保持に成功した。加えて、液滴の蒸発モデルの拡張にも取り組んだ結果、体積等価直径が0.5～2.0mm程度の浮遊液滴の蒸発時刻を良好に予測可能であることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
Lab-in-a-dropの実現には、複数の液滴の浮遊・輸送・合体・混合・反応・蒸発といった、液滴の動的な現象を精緻に制御する必要がある。そのため本研究では、①各種プロセスの安定制御条件の検証、②「同種液滴を用いた「浮遊～蒸発」のプロセス統合」、③「異種液滴を用いた「浮遊～蒸発」とのプロセス実証と統合」、④「非接触流体マニピュレーションの数値解析」の4点を対象として、非接触流体マニピュレーション実現のための概念実証および浮遊液滴に生じる現象の統合的な物理解明に取り組んでいく。
今年度①を達成することができたために、次年度は②「同種液滴の浮遊から蒸発に至るプロセス統合」に着手する。すなわち、限定的な条件下（同種液滴）で液滴を浮遊させ、その安定保持・輸送・合体・混合・反応・蒸発（乾燥）に至る高精度な非接触流体マニピュレーション実現のための概念実証を行う。
加えて、④「非接触流体マニピュレーションの数値解析」にも着手する。これは実験では特定が極めて困難な物理量を推定するためのアプローチであり、具体的には連成する物理現象を数値解析可能なCOMSOL Multiphysicsを駆使することで音響場と液滴に生じる輸送現象の時空間発展情報を把握する。数値解析を通じて、特に液滴界面に生じる圧力分布などの情報を獲得し、その推定情報を実験パラメータの調整へフィードバックする。実験と数値解析の相補的なアプローチによって、Lab-in-a-dropの実現に向けた音響場による非接触流体マニピュレーションの実証を加速させていく。
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[Book] Acoustic Levitation From Physics to Applications2020
Author(s)
Duyang Zang, Asier Marzo, Marco A. B. Andrade, Xiao-Peng Chen, Zehui Zhang, Kangqi Liu, Koji Hasegawa, Yanju Wei, Da-Chuan Yin, Soichiro Tsujino, Takashi Tomizaki
Total Pages
179
Publisher
Springer Nature
ISBN
978-981-32-9065-5
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