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2017 年度 実績報告書

ラボ・オン・ウォーターシステム構築に向けたリキッドマーブルの運動・合一・崩壊制御

研究課題

研究課題/領域番号 16H04207
研究機関大阪工業大学

研究代表者

藤井 秀司  大阪工業大学, 工学部, 教授 (70434785)

研究分担者 中村 吉伸  大阪工業大学, 工学部, 教授 (70298800)
眞山 博幸  旭川医科大学, 医学部, 准教授 (70360948)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワードリキッドマーブル / 気液界面 / 物質輸送 / 光熱変換 / 吸着 / マランゴニ対流 / 導電性高分子 / 粉体
研究実績の概要

本研究では、水面上に浮遊するリキッドマーブル周囲に形成される、光熱変換現象が生み出す界面張力の空間勾配を運動の駆動力とし、液体(リキッドマーブル内部液)の遠隔からの運搬を行う省エネルギー型物質デリバリーシステムを実現化する。さらに、水面を実験室として捉え、水面上においてリキッドマーブルの合一・崩壊により内部液の混合・徐放を行う、ラボ・オン・ウォーターシステムの基本概念を構築する。平成29年度は、リキッドマーブルの運動制御・牽引動力源としての機能評価を目的とし、下記2項目について検討を行った。
1.運動制御
水面上に浮かべたリキッドマーブルに対しレーザー光、太陽光を照射することで、光熱変換現象により界面張力の空間勾配を生み出し、これを「運動」の駆動力とすることで、リキッドマーブルを水面上で移動させることに成功した。具体的には、水面にのせたリキッドマーブルに対し、近赤外レーザーを水面に対して45度程度の角度で照射することで、良好にリキッドマーブルの並進運動を誘起することができた。また、光照射方向を制御することで、リキッドマーブルの運動方向のコントロールが可能であることを明らかにした。50マイクロリッター以上の体積を有するリキッドマーブルの運動制御にも成功した。
2.牽引動力源としての機能評価
レーザー光照射により誘起されるリキッドマーブルの運動を、物体の牽引動力へ変換することに成功した。具体的には、3Dプリンターを使用して作製した船の機能を果たす物体に貨物を積載し、これをリキッドマーブルの運動を駆動力とし、牽引した。リキッドマーブルの150倍の重量を有する船を動かすことに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成29年度の研究計画通り、水面上におけるリキッドマーブルの運動制御について知見の蓄積を行い、その後、物体を牽引する動力源としての機能評価に取り組んだ。計画通り目標を達成することができた。また、平成30年度の研究計画の準備実験も開始している。

今後の研究の推進方策

平成30年度以降も、研究分担者との連携を通じて、省エネルギー型物質デリバリーシステムの実現化、およびラボ・オン・ウォーターシステムの基本概念の構築に努める。具体的には、下記の点について研究を推進する。
1. リキッドマーブルの運動制御:水面上に浮遊するリキッドマーブルに対してレーザー照射を行い、マランゴニ対流を駆動力とするリキッドマーブルの運動制御を行う。具体的には、レーザー光の波長・出力とリキッドマーブルの運動の速度との相関を明らかにする。
2. リキッドマーブルの運動の数値解析:リキッドマーブルの運動を高速デジタルビデオカメラで録画し、動画解析ソフトウェアを使用することで、変位、速度、加速度を解析する。次いで、光照射したリキッドマーブル周辺場の温度分布をサーモグラフィーを用いて可視化・数値化し、界面張力の空間勾配を視覚化する。取得する情報に基づき運動方程式を立てることで、リキッドマーブルに作用している力と仕事の大きさを評価する。
得られた結果を取りまとめ、学会発表、論文投稿を行う。これまでに取得した知見と平成30年度以降に取得する基礎的データを有機的に繋げることで、リキッドマーブル工学に基づく物質遠隔操作法を確立したい。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 5件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 9件、 招待講演 10件) 図書 (1件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] Max-Planck Institute(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Max-Planck Institute
  • [国際共同研究] Newcastle大学(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      Newcastle大学
  • [雑誌論文] The physical properties of mixed Langmuir monolayers of polystyrene particles with poly(N,N-dimethylaminoethylmethacrylate) hairs and a poly(2-hydroxyethyl methacrylate) polymer at an air/water interface2017

    • 著者名/発表者名
      C. McNamee, S. Fujii, S. Yusa, M. Kappl
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 13 ページ: 1583-1593

    • DOI

      10.1039/C6SM02529C

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] pH-Sensitive adsorption behavior of polymer particles at the air-water interface2017

    • 著者名/発表者名
      S. Fujii, E. Mouri, K. Akiyama, S. Nakayama, K. Uda, Y. Nakamura, H. Matsuoka
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 33 ページ: 1451-1459

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.6b03895

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Polyion complex vesicles with solvated phosphobetaine shells formed from oppositely charged diblock copolymers2017

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, K. Ishihara, M. Kappl, S. Fujii, Y. Nakamura, S. Yusa
    • 雑誌名

      Polymers

      巻: 9 ページ: 49

    • DOI

      10.3390/polym9020049

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlling the structure of supraballs by pH-responsive particle assembly2017

    • 著者名/発表者名
      T. Sekido, S. Wooh, R. Fuchs, M. Kappl, Y. Nakamura, H.-J. Butt, S. Fujii
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 33 ページ: 1995-2002

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.6b04648

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrophobic polypyrrole synthesized by aqueous chemical oxidative polymerization and its use as a light-responsive liquid marble stabilizer2017

    • 著者名/発表者名
      H. Kawashima, H. Mayama, Y. Nakamura, S. Fujii
    • 雑誌名

      Polymer Chemistry

      巻: 8 ページ: 2609-2618

    • DOI

      10.1039/C7PY00158D

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Droplet size and morphology analyses of dry liquid2017

    • 著者名/発表者名
      Kido Kohei、Sumoto Takashi、Yasui Yoshihide、Nakamura Yoshinobu、Fujii Syuji
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 28 ページ: 1977~1981

    • DOI

      10.1016/j.apt.2017.04.027

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Transfer of Materials from Water to Solid Surfaces Using Liquid Marbles2017

    • 著者名/発表者名
      Kawashima Hisato、Paven Maxime、Mayama Hiroyuki、Butt Hans-Jurgen、Nakamura Yoshinobu、Fujii Syuji
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 9 ページ: 33351~33359

    • DOI

      10.1021/acsami.7b11375

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effects of pH on the structure and mechanical properties of dried pH-responsive latex particles2017

    • 著者名/発表者名
      Sekido T.、Kappl M.、Butt H.-J.、Yusa S.、Nakamura Y.、Fujii S.
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 13 ページ: 7562~7570

    • DOI

      10.1039/C7SM01625E

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Gas Bubbles Stabilized by Janus Particles with Varying Hydrophilic-Hydrophobic Surface Characteristics2017

    • 著者名/発表者名
      Fujii Syuji、Yokoyama Yuichi、Nakayama Saori、Ito Masanori、Yusa Shin-ichi、Nakamura Yoshinobu
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 34 ページ: 933~942

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.7b02670

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of the Addition of a Cross-Linker and the Water pH on the Physical Properties of Films of pH-Responsive Polymer Particles at Air/Water Interfaces2017

    • 著者名/発表者名
      Azakami Yuka、Kappl Michael、Fujii Syuji、Yusa Shin-ichi、McNamee Cathy E.
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 2 ページ: 7837~7848

    • DOI

      10.1021/acsomega.7b01241

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Fabrication of particle-stabilized bubbles and their light-induced locomotions2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤 将也, 川嶋 永人, 中村 吉伸, 藤井 秀司
    • 学会等名
      The 6th Asian Symposium on Emulsion Polymerization and Functional Polymeric Microspheres
    • 国際学会
  • [学会発表] Light-driven delivery of materials using liquid marble2018

    • 著者名/発表者名
      Hisato KAWASHIMA, Hiroyuki MAYAMA, Yoshinobu NAKAMURA, Syuji FUJII
    • 学会等名
      The 6th Asian Symposium on Emulsion Polymerization and Functional Polymeric Microspheres
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Liquid marbles as a platform towards adhesive materials2017

    • 著者名/発表者名
      Syuji Fujii
    • 学会等名
      the 10th International Symposium on Nature- Inspired Technology (ISNIT2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimuli-driven material delivery and release using liquid marble2017

    • 著者名/発表者名
      Hisato Kawashima, Maxime Paven, Hiroyuki Mayama, Hans-Jurgen Butt, Yoshinobu Nakamura, Syuji Fujii
    • 学会等名
      The 4th international Symposium on the Hybrid Materials and Processing (HyMaP 2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimuli-Driven Delivery and Release Systems Using Liquid Marbles2017

    • 著者名/発表者名
      Syuji FUJII, Hiroyuki Mayama
    • 学会等名
      Asian Conference on Oleo Science 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimuli-Driven Delivery and Release of Materials Using Liquid Marbles2017

    • 著者名/発表者名
      Syuji Fujii, Hiroyuki Mayama, Hisato Kawashima, Maxime Paven, Hans-Jurgen Butt, Yoshinobu Nakamura
    • 学会等名
      IUMRS-ICAM 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimuli-Driven Delivery and Release Systems Using Liquid Marbles2017

    • 著者名/発表者名
      Syuji Fujii
    • 学会等名
      Western Mass / Western Japan Polymer Symposium, The University of Massachusetts Amherst
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stimuli-Driven Delivery and Release Systems Using Liquid Marbles2017

    • 著者名/発表者名
      Syuji Fujii
    • 学会等名
      Research seminar, University of Newcastle
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 微粒子安定化気液ソフト分散体を基盤とする機能性材料創出2017

    • 著者名/発表者名
      藤井秀司
    • 学会等名
      第55回日本接着学会年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 元素ブロック高分子粒子安定化リキッドマーブルに基づく物質運搬システムの構築2017

    • 著者名/発表者名
      藤井秀司, 川嶋永人, 眞山博幸, Maxime Paven, Hans-Jurgen Butt, 中村吉伸
    • 学会等名
      高分子学会 第66回高分子討論会
  • [学会発表] 機能性高分子微粒子の気液界面吸着現象を利用したソフト分散体の創出2017

    • 著者名/発表者名
      藤井秀司
    • 学会等名
      高分子学会 高分子同友会勉強会
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子微粒子が拓く機能性気液分散体の材料化学2017

    • 著者名/発表者名
      藤井秀司
    • 学会等名
      九州地区高分子若手研究会・冬の講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Stimuli-Driven Delivery and Release Systems Using Liquid Marbles2017

    • 著者名/発表者名
      S. Fujii, H. Mayama, H. Kawashima, M. Paven, H.-J. Butt, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      254th ACS National Meeting & Exposition
    • 国際学会
  • [学会発表] 光熱変換リキッドマーブルを用いた物質運搬・放出制御2017

    • 著者名/発表者名
      川嶋 永人, 眞山 博幸, 中村 吉伸, 藤井 秀司
    • 学会等名
      第63回高分子研究発表会 (神戸)
  • [学会発表] 光刺激応答性リキッドマーブルを用いた物質運搬・放出制御2017

    • 著者名/発表者名
      川嶋 永人, 眞山 博幸, 中村 吉伸, 藤井 秀司
    • 学会等名
      第68回 コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] 光熱変換リキッドマーブルを用いた遠隔物質運搬・放出システムの構築2017

    • 著者名/発表者名
      川嶋 永人, 眞山 博幸, 中村 吉伸, 藤井 秀司
    • 学会等名
      第17回高分子表面研究討論会
  • [学会発表] 非水液体を内部液とする光熱変換リキッドマーブルの遠隔物質運搬2017

    • 著者名/発表者名
      川嶋 永人, 眞山 博幸, 中村 吉伸, 藤井 秀司
    • 学会等名
      第27回 日本MRS年次大会
  • [図書] 高分子微粒子ハンドブック 第3編 第5章2017

    • 著者名/発表者名
      分担 藤井秀司、中村吉伸(監修 藤本啓二)
    • 総ページ数
      316
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1253-8
  • [備考] 藤井秀司 研究紹介webページ

    • URL

      https://www.youtube.com/watch?v=u2TArGB-79Y&list=UUxBwz6-418ToeacGKIBtVmw&index=5

  • [備考] 日本化学会新領域研究グループ(分散凝集の学理構築への科学と技術戦略)

    • URL

      http://dispersion.chemistry.or.jp/

  • [備考] 大阪工業大学工学部応用化学科高分子材料化学研究室webページ

    • URL

      http://www.oit.ac.jp/chem/cherry/4_lab/

  • [備考] 日本経済新聞(電子版)で研究がハイライト

    • URL

      https://r.nikkei.com/article/DGXMZO23542770W7A111C1000000

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公開日: 2018-12-17  

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