2022 Fiscal Year Research-status Report
固液界面微細気泡の動的挙動解明に向けた全反射蛍光観察に基づく液体温度計測
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21K14095
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
栗山 怜子 京都大学, 工学研究科, 助教 (70781780)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 固気液三相界面 / 液体温度計測 / 蛍光偏光法 / 全反射蛍光観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は固液界面における微細気泡の動的メカニズム解明に向け，界面極近傍(1um以下)の領域に特化した気泡周囲の液体温度計測技術の開発を目的とする．固液界面の微細気泡が介在する熱流動現象は工学上の有用性が高い一方で観察が難しく，様々な相変化現象の解明に向けた計測技術の開発が求められている．そこで本研究は，エバネッセント波を用いた全反射蛍光観察に基づき界面微細気泡周りの液体温度計測法を確立する．蛍光強度の温度依存性を利用する従来のレーザー誘起蛍光法を，計測の安定性や気泡周りへの適用性などの面で発展させた新たな手法を提案する．上記目的に向けて本年度実施した内容を以下に述べる．
(1)全反射蛍光偏光法に基づく液体温度計測の妥当性の検証：マイクロ流路底面に敷設した薄膜電極周りの温度場を対象とした二次元分布計測を行い数値計算結果と比較した．その結果，電極から50um以上離れた位置において両者は温度差1℃以内で良好に一致し，一定の妥当性を示した．
(2)検出系の簡略化に向けた偏光カメラの導入：4方向の偏光成分を同時に取得可能な偏光カメラにより，複数台のカメラの位置合わせ等が不要な簡便な計測システムを構築した．更に計測システムに起因する偏光解消を考慮して偏光度の解析を行い，全反射蛍光観察で得られる蛍光偏光度はPerrinの式に基づく理論値より高く，壁面が蛍光分子の運動に影響を与える可能性を明らかにした．
(3)固気液三相界面近傍における液体温度計測の実施：2枚のガラス平板間に蛍光色素溶液の液滴を封入してガラス・空気・溶液の三相界面を形成し，その近傍で温度条件を変化させながら蛍光強度や偏光度分布の計測を行った．その結果，液相部の蛍光強度分布の形状は気液の境界線の位置の移動や蛍光退色に影響を大きく受けず，気液が共存する場に対して全反射蛍光偏光法による液体温度計測が適用できる可能性を示した．
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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，前年度に構築した全反射蛍光観察システムを用いて偏光度に基づく液体温度分布計測の妥当性の確認を行うとともに，計測システムの簡略化に取り組んだ．また，偏光度の解析方法の改善により理論値との直接的な比較が可能となり，固液界面近傍における蛍光分子の運動に関する基礎的な知見を得ることができた．さらに，安定的に存在する固気液三相界面をプレパラート内に作製し，その近傍における蛍光強度や偏光度分布の測定結果から，全反射蛍光偏光法の固気液界面への適用可能性を示した．このように本年度は，次年度に実施予定の微細気泡周りへの計測法の適用に向けてその足掛かりとなる大きな進展が得られたと考える．これらの成果は関連する国内学会で報告しており，次年度の国内・国際学会においても発表予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に引き続いて (1)固気液三相界面近傍において全反射蛍光偏光法に基づく液体温度計測の妥当性・精度の検証を行う．更に(2)固液界面における微細気泡の作製とその周囲の温度場に対する提案手法の適用を試みる．また(3)適用範囲の拡張を目標としてより幅広い温度範囲における温度校正を試みるほか，非定常な温度場への適用に取り組む．具体的方法・留意点を以下に記す．
(1)固気液三相界面近傍の液体温度計測について妥当性や再現性の検証を行い，体積照射を用いた計測と比較した場合の優位性を示す．具体的には，ガラス平板間に封入された液滴の三相界面近傍について様々な温度・圧力条件において温度分布計測を行い，液膜の蒸発による温度分布への影響を詳細に観察する．また，ガラス表面の親水性・疎水性を制御することにより液膜形状を変化させ，温度計測に対する影響を評価する．
(2)ナノバブルなどの比較的低温で固液界面に安定的に存在する微細気泡もしくは，加熱により流路内に生じる比較的サイズの大きい気泡などをターゲットとして，気泡周りの温度場計測を行う．再現性の高い気泡生成方法を確立し，必要に応じて観察部周囲の光学系の改良を行う．気泡が存在することによる干渉縞や散乱光の発生，気液界面への色素の吸着等が計測上の課題となる可能性があり，これらについて詳細に検証する．
(3)計測法の適用範囲の拡張：沸騰現象への適用を念頭に温度校正範囲を広げるため，現在のペルチェ素子を用いた加熱システムとは別にITO電極などを用いた新たな温度制御システムの導入を行い，偏光度に基づく温度校正実験を行う．また，動的な温度場への適用を試みるとともに，時間分解能の向上に向けて全反射の入射角度の調整やプラズモン共鳴の利用などによる励起の最適化についても検討する．
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| Causes of Carryover |
本年度は，温度計測法の微細気泡への適用の前段階として，平板ガラス間に液滴を封入することで簡易的に形成した固気液三相界面を計測対象とした．これにより提案手法の固気液界面への適用可能性を迅速に検証できた一方で，微細気泡生成のためのシステムの構築や，微細気泡観察のための高倍率測定のために予定していた費用が未使用のままとなった．また，参加した国内学会の開催場所が比較的近隣であったため旅費が抑えられ，その結果として次年度使用額が生じることとなった．次年度分として請求した助成金は，本年度達成できていない気泡生成システム構築や光学系の改良のために使用するほか，幅広い温度条件での校正を可能にする温度制御システムの導入や，国内・国際学会参加のための費用として使用する予定である．
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