2020 Fiscal Year Annual Research Report

Study on Capillary Phenomena of Immiscible Fluids towards Autonomously Driven Droplet Microfluidics

Research Project

Project/Area Number	20J00716
Research Institution	Ochanomizu University
Principal Investigator	矢菅浩規お茶の水女子大学, 基幹研究院, 特別研究員(PD) (10844582)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2023-03-31
Keywords	毛管現象 / 濡れ / 液滴 / 微細加工 / マイクロ流体デバイス / スケーリング則 / 置換現象
Outline of Annual Research Achievements	2020年度は、毛管現象を駆動力とする液滴生成デバイスの開発に向け、水と油の自発的な浸透・置換現象を研究対象とし、この現象を支配する法則性を探究した。具体的な取り組みを下記に述べる。まず、ソフトリソグラフィや3Dプリンティングなどの微細加工技術による、マイクロスケールの開放流路（開毛管）の製作方法を検討した。実験の繰り返し実行可能性と製作の簡易性・迅速性の観点から、光造形式の3Dプリンタを用いて開毛管を製作し、流路表面をシリコーンポリマでコーティングする方法を、本研究の製作方法とした。続いて、液体を保持するリザーバ構造と開毛管を含めた開毛管デバイス全体の設計と非混和性の2種類の液体の導入方法の検討などを行い、浸透・置換現象の観察に適したデバイス設計と実験方法を確立した。この実験系を用いてシリコーンオイルとエタノール水溶液を用いた実験を行ったところ、水溶液からオイルへの浸透現象の観察に成功した。さらに、ハイスピードカメラと顕微鏡を統合した観察セットアップを組み上げ、浸透初期から後期にわたる幅広い時間スケールで浸透・置換現象の観察を行うことが可能となった。これらの実験系を用いて、浸透・置換現象における流速の時間的変化を観測し、そのスケールの評価を行った。また、本実験セットアップを用いることで、浸透・置換現象の慣性領域と粘性領域のクロスオーバーを観察できることが示唆され、今後物理的にも興味深い知見が得られると期待される。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2020年度は、液滴生成デバイス開発を見据えて浸透・置換現象の理論的側面の研究は簡潔なものに留める予定であったが、慣性領域と粘性領域のクロスオーバーの観察が可能であることなど物理的に興味深い知見が得られる可能性が示唆されたため、この現象の研究に多くの時間を割くこととした。その結果として、幅広い時間スケールで観察可能な実験系の確立と流速の時間的変化の観察など、2021年度以降の液滴生成や輸送、融合機構の開発に大きく貢献する成果も得られた。また、研究成果に関して、日本物理学会と関東ソフトマター研究会、アメリカ物理学会で特別研究員本人が口頭発表を行うなどの成果を上げている。以上を踏まえて、本研究は順調に進展していると判断する。
Strategy for Future Research Activity	2020年度の研究により、幅広い時間スケールで浸透・置換現象の観察を繰り返し実行できる実験セットアップが整ったため、2021年度も本実験を継続し、慣性領域と粘性領域のクロスオーバーの観察など、非混和性2液体間での浸透・置換現象の包括的理解を目指す。この成果は、年度内の論文投稿を目指す。また、浸透・置換現象の研究で得られた知見に基づき、液滴生成と液滴輸送機構の設計・実装の研究に着手する。