2014 Fiscal Year Annual Research Report
垂直配向ナノチューブ電極を用いた微小気泡発生源の創成と機能開拓
| Project/Area Number |
26286024
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
平原 佳織 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40422795)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | マイクロバブル / 粒径制御 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
H26年度は、CNT電極シートの作製工程の見通しを付け、実際に気泡発生を確認する計画であった。以下に予定していた各実施項目についての実施内容の概要を示す。
1. CNT電極シートの作製：基板上に成長した垂直配向CNTへPDMS樹脂を流し込んで硬化させた後基板を除去することにより，表面に無数にCNT先端が突出した複合樹脂電極を作製する条件をおおむね確立した。作製した樹脂表面では、硬化時のPDMS収縮に伴いCNT存在部は高さ数nm～100nmオーダーの突起状になることが示唆された。また、H27年度の計画としていたがパターニングCNTを用いた電極の作製にも取り組んだ。
２．観測・評価方法の確立：当初は蛍光・暗視野観察系の導入を検討していたが、交付金額が申請額より減額されたことに伴い，計画を変更して，既有の光学顕微鏡の照射系を改良した。結果として、最小で直径1マイクロメートルの気泡の発生を捉えられることができたが、この観察系ではワーキングディスタンスが5mmしかないため、電極配線の配置や，電気分解時の電解質溶液のはねによるレンズ汚損などが次年度以降の問題として残っている。さらに、より小さいナノバブルを観察するために、原子間力顕微鏡を用いて電気分解中の電極表面の液中観察も試み、上述のような電極表面に存在する突起状の部分でナノメートルオーダーの気泡発生を示す高さ変化を検出できることを確認した。
３．微小気泡発生条件の探索および最適化：5%水酸化ナトリウム水溶液中で作製したCNT電極シートによる電気分解を行い微小気泡の発生・制御が可能な電圧域を決定した。この電圧域では秒単位で気泡成長が制御可能なことを電極表面観察により確かめた。また、パターニング電極を用いると，当初の計画にはない形態でマイクロメートルレベルで均一なサイズの気泡を基板上に発生・配列させられることも明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
H26年度の研究実施内容は、交付申請書に記載した研究目的の主要３項目のうち、①電極の最適構造を明らかにする②微小気泡発生の実証および気泡発生・制御条件を明らかにする、に関わるものである。交付金額の減額による調達機材の変更を除けば計画通りに進捗しているといえる。①については，樹脂にCNTを埋め込んだ結果、計画時の予想通り、配向形状が崩れることなくCNT先端のみを電極に活用できる形状が得られている。これを用いてより厳密な気泡発生条件の制御をするためには、今後電極表面形状や水との親和性と担持できる気泡サイズとの相関などより詳細に調べるなど、まだ改良の必要があることも示唆されている。さらに、パターニングCNTを試験的に電極として使用すると、当初はCNTを島状に成長させてその先端で気泡を保持する系を想定していたが、実際はそれを反転させたパターン、すなわち、垂直配向CNTの中に決まったサイズのホールパターンを形成する方がマイクロバブル発生の制御が精度良くできるという結果を得た。この成果を次年度以降の研究に活かすためにはより試作を重ねる必要がある。②については、光学顕微鏡とAFM液中観察を導入することにより、ナノメートルレベルの気泡発生初期過程から、マイクロメートルレベルの気泡の挙動観察まで押さえることができるようになったが、前述の通り技術的な課題はまだ残っている。
総じて、パターニングCNTに関して興味深い知見が得られるところまで研究が進捗しているという点は当初の計画以上の進展であるが、他の項目において技術的な改良点もいくつか見いだされたことから、達成度を（２）とした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
基本的には申請時の計画通り今後も進めていくが、H26年度に得られた知見から、下記の点についてより重点的な検討が必要であることが示された。
１．CNT電極シートの改良：H26年度に作製条件をおおむね確立した電極シートについて，電極表面のラフネスやCNT突出長さなどのより詳細な構造制御を行い、発生させる微細気泡の成長や担持をより厳密に制御できるよう、改良する。
２．気泡発生条件のより厳密な制御：H26年度の成果からは、気泡成長を制御できる電圧域を決定したが、発生させた気泡をそのまま静置すると自己加圧効果に起因すると考えられるサイズ変化が生じることも見いだされた。このため、狙った形状で気泡を連続的に基板上に保持するためには、より厳密な電流値制御などが必要となってくると考えられる。電極上で、狙ったサイズでの気泡発生および保持を実現させるために、今後この点に関しても検討を進める。
３．CNTパターニング電極シート：H26年度には興味深い成果が得られているが、樹脂に包埋せずに液中で電極として使用するとキャピラリによる形態変化が生じることから、持続的に電極を使用できる様にするためにはさらなる改良が必要である。ただし、パターニングCNTをそのまま樹脂へ包埋するには技術的な課題がいくつかあり、これを解決する方法を、包埋工程・使用するCNTの高さなどの観点から今後検討する。
|
| Causes of Carryover |
H27年2～3月の実験において、電極表面を液中AFM観察するために用いるカンチレバープローブを追加購入する必要が生じたが、納品時期の都合上、4月以降に発注を繰り越すこととした。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
電極表面の形状が気泡発生・制御に与える影響を明らかにするために、気泡発生中の電極シート表面をAFM観察する。そのために必要なカンチレバープローブを購入する。
|
