2020 Fiscal Year Research-status Report
表面上不純物粒子を対象とした動的濡れによる自発的『メニスカス・クリーニング』機構
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20KK0085
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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) |
黒瀬 築 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 助教 (30868740)
塚原 隆裕 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 准教授 (60516186)
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| Project Period (FY) |
2020-10-27 – 2024-03-31
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| Keywords | メニスカス・クリーニング / 表面張力 / メニスカス / 洗浄 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，『メニスカス・クリーニング』機構の提案を大目的とし，その実現に向けて以下の4目標を掲げている．すなわち，目標1：比較的単純な構造を有する基板上構造物に液滴前縁部が接触した際のメニスカス形成と，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力場の解明； 目標2：目標1における微小構造物の形状・姿勢・濡れ性の影響に関する定量化； 目標3：複雑な形状・物性を有するバイオ粒子を用いた高精度計測による現象の定量化，模擬実験・解析モデルへのフィードバック； 目標4：バイオ粒子除去を模擬しうる解析モデル構築，である．2020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現象解析および実験データに対する解析コード開発を重点的に行ってきた．数値解析による研究では，微小構造物の高さをパラメータとして，基板上を濡れ広がる液膜前縁部が接触した際に自発的に形成するメニスカス内部流動場に関する解析を重点的に行った．また，微小構造物に働く力場の解析コードの開発を行い，剪断場，圧力場，さらに構造物周りを上昇する液膜前縁部に働く表面張力の寄与を明らかにした．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，現在，当該内容に関する投稿論文原稿を準備している．実験データ解析においては，球状粒子を対象とて，平滑基板上を濡れ広がる液膜前縁部との相互作用によって液膜側に引き込まれる粒子挙動を高精度に追跡することを可能とした．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．
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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
前述の通り2020年度においては，主に数値解析による現象解析および実験データに対する解析コード開発を重点的に行ってきた．前述の目標１において，特に，微小構造物に働く力場の解析コードの開発を行い，剪断場，圧力場，さらに構造物周りを上昇する液膜前縁部に働く表面張力の寄与を時々刻々評価に至った．これにより，微小構造物との相互作用により液膜内部のレイノルズ数の上昇が認められるものの，構造物に働く主要な力場は表面張力によるものであることを定量化した．また，微小構造物の高さをパラメータとし，メニスカス形成時に構造物頂部まで液膜前縁部が進展する場合において，メニスカス内部渦構造形成過程に大きな差違が見られることを明らかにした．すなわち，微小構造物の高さが充分でない場合，すなわち，メニスカス形成時に構造物頂部まで液膜前縁部が進展する場合に，メニスカス内部に形成される対流場構造に大きな差違が見られることを明らかにした．目標２においては，微小構造物の濡れ性に特に着目し，液膜前縁部との相互作用によるメニスカス形成過程およびメニスカス内部の対流場を定量化した．実験データ解析においては，球状粒子を対象とて，平滑基板上を濡れ広がる液膜前縁部との相互作用によって液膜側に引き込まれる粒子挙動を高精度に追跡することを可能とした．特に，複数の画像処理過程を適用することにより，移動する微小鉱物をメニスカス形成による自由界面変形の影響を最小限にしながら追跡することが出来るようになった．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に実施した目標1および2にかかる実験および数値解析に関する結果を基盤とし，2021年度は以下の内容に取り組む．目標1に関しては，平滑基板上を濡れ拡がる液滴前縁部が，単一球形あるいは柱状構造物と衝突した後に発現する微小構造物の運動，液滴前縁部およびその先に拡がる先行薄膜領域の変化をレーザ干渉計・Brewster角顕微鏡を用いて定量化する．昨年度実施分研究によって把握した，微小構造物運動の可視化に関する問題点に対応するため，新規に連続光源の導入を計画している．また，微小圧力計を導入し，微細流路における濡れ拡がり挙動の高精度計測に向けた準備を行う．さらに，実験で得られた知見を，研究分担者および海外共同研究者と共にメニスカス内の圧力場・速度場，さらに微小構造物に働く力場を定量化する．目標2については，主に柱状構造物を対象とし，形状や基板上での姿勢，濡れ性をパラメータとして，目標1と同様の計測により定量化を行う．申請時の計画では，モデル実験および数値解析で得られる結果をもとに本年度後半に渡仏し，最新の知見を交換するとともに，目標3にて予定しているバイオ粒子を用いた実験実施に向けた準備を現地にて行い取得可能なデータ群やパラメータなどを確認・調整する予定であるが，現在のCOVID-19の世界的感染拡大の状況に鑑み，渡仏を延期した上で，目標3で計画していた内容の前倒し実施を計画している．
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| Causes of Carryover |
COVID-19感染拡大による緊急事態宣言やそれに伴う本学での入構禁止措置，その後の入構自粛措置により，実験的研究の実施を停止せざるを得ない状況にあったため，2021年度は実験的アプローチによりその一部を実証することを目的として研究活動を進めていく予定である．申請時では，採択時の計画では，海外共同研究者との研究打ち合わせおよび現地実験準備のための経費を計上しているが，COVID-19の感染拡大状況を見極めながら研究活動を進めていく予定である．現在のCOVID-19の世界的感染拡大の状況が続くようであれば渡仏を延期した上で，別途計画していた内容の前倒し実施を計画している．
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