2023 Fiscal Year Annual Research Report
イオンダイオードを用いたマイクロ・ナノ流動現象の究明
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21H01246
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
土井 謙太郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20378798)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 電気流体力学 / イオン電流 / イオンダイオード / マイクロ・ナノ流路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，これまで独自に研究開発を行ってきた液中のイオン濃度測定技術を確実なものとし，さらには，それを用いてマイクロ・ナノスケールの流動現象を究明することを目的とする．従来，トレーサ粒子を用いた流動現象の可視化が行われてきたが，ナノ流路においては粒子の大きさや物性が流動現象に及ぼす影響が無視できないことが危惧されることから，さらに微小なトレーサ粒子が必要とされる．一方で，可視光では位置と速度を正確に測定するための十分な分解能を得ることが困難となる．そこで，液体中で最小の粒子と考えられるイオンを用いて流動現象を解析する方法を提案したい．そのために，ナノ流路構造にお
いてイオン電流を整流しながらイオン種の濃度測定を実現し，それを用いてイオン電流と流動現象の相関を調べ，理論モデルに基づいてナノ流路内部の流れ場を定量評価するための方法論を構築する．
本年度は，昨年度までに設計したシリコン基板に作製したナノ流路とシリコーン樹脂に形成したマイクロ流路を接着して一体とした試験用流路を用いてイオン電流による流動計測を行った．流路を電解質溶液で満たし，マイクロ流路の液体を送液ポンプにより駆動しながら，シリコン基板上のナノ流路にイオン電流を発生させて液の流動に対するイオン電流応答を計測した．実験結果から，マイクロ流路の液の流量に比例するイオン電流応答を確認した．マイクロ流路に流動がある場合にイオン電流に対する抵抗の増加が見られることから，イオン電流による流動の定量評価が可能となることを示した．実験を行うにあたり，有限要素法解析を用いてマイクロ流路の流動とイオン電流の相関を確認している．
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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
当初の計画どおり，昨年度までに設計製作したマイクロ・ナノ流路を用いて液の流動に対するイオン電流応答を確認した．マイクロ流路の液の流量増加に伴ってそれに直交するナノ流路のイオン電流変化を計測して確認した．流量とイオン電流について正の相関が確認され，イオン電流による定量評価の可能性が示唆された．同時に，有限要素解析による数値解析結果からも流量とイオン電流の相関を確認している．実験と理論の両面から現象を明らかにし，マイクロ流路の新規計測手法の確立に向けて着実に前進しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
マイクロ流路の液の流動について，流路に交差するナノ流路のイオン電流変化から流量を定量評価することに成功したが，いまだ測定可能な流速に制約があることから，測定範囲を拡大するための流路設計およびイオン電流測定手法について改良を行う必要がある．測定原理として，ナノ流路のイオン電流がマイクロ流路の流動に妨げられて電気抵抗が増加するとき，一定電流を維持するための電位差の増加を測定していることから，イオン電流の変化を捉えるための感度を向上させる必要がある．マイクロ流路とナノ流路の接触界面に生じるイオン輸送現象の詳細を理解し，イオン電流に及ぼす流体の圧力差および流速の変化の影響について実験と数値解析の両方から吟味する．
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