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2008 年度 実績報告書

気液混在マイクロ・ナノ化学プロセスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19360349
研究機関東京大学

研究代表者

火原 彰秀  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (30312995)

キーワードナノ・マイクロ科学 / マイクロ化学チップ / ナノ流体 / マイクロ流体 / 気液二相流 / 蒸発 / 凝縮
研究概要

本年度は、マイクロ流路内を並行して流れる二相(気液および液液)間に働く毛管力を定量的に評価するための物理モデルを実験的に検証した。二相間には粘度差が存在するため、モデルでは、並行して流れる二相に、それぞれ別々の圧力損失を考え、平行二相流の上流と下流では二相間に異なる圧力差が存在すると考える。この圧力差を二相界面の変形によって生じるラプラス圧が補償する。このとき、二流体間と壁面の三相接触線がとりうる接触角は、前進接触角から後退接触角までであるとした。様々な表面張力と接触角をもつ溶媒について実験を行い、モデルが広い範囲で適用可能であることを確かめた。気液混在マイクロ化学プロセスを設計する上で重要な知見が得られたといえる。
ナノピラー内での毛管凝縮現象の解析では、異なる大きさと空隙サイズをもつナノピラーを一枚のチップに集積化したチップ作製に取り組んだ。また、蒸気圧を正確に制御することを目的に、チップ外で飽和蒸気をつくり、キャピラリーを介して蒸気を導入するシステムを組み上げた。このシステムでは、飽和蒸気を導入し、ナノピラーで蒸気が凝縮しはじめる温度を正確に計測できるため、毛管凝縮現象の平行論を議論するのに適したシステムであるといえる。一方、このシステムでは蒸気発生部から凝縮部までの距離が離れており、凝縮が始まった後も、凝縮液の成長がゆっくりとしか進まないという現象を観測した。蒸気発生部と凝縮部が離れていると、凝縮速度がキャピラリー内の流速に支配されるためと考えた。そこで速度論解析のためには、蒸気発生部と凝縮部が十分接近している必要があると考え、液体流路とナノピラー部(凝縮部)が数mm程度に接近したチップを作製した。この距離では、観測する凝縮現象の時間スケールに対して、気相中溶媒分子の拡散時間は無視できるほど小さいと考えられる。このチップを用いて、毛管凝縮現象を観測に成功した。凝縮率評価方法の確立などに課題は残っているが、本研究の目的の1つである、毛管凝縮現象の速度論解析につながる重要な成果であるといえる。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2009 2008 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (2件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Integrated fluidic systems on a nanometer scale and the study on behavior of liquids in small confinement2009

    • 著者名/発表者名
      A.Hibara, T.Tsukahara, T.Kitamori
    • 雑誌名

      Journal of Chromatography A 1216

      ページ: 673-683

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Phase separation of gas-liquid and liquid-liquid microflows in microchips2009

    • 著者名/発表者名
      A.Aota, K.Mawatari, S.Takahashi, T.Matsumoto, K.Kanda, R.Anraku, A.Hibara, M.Tokeshi, T.Kitamori
    • 雑誌名

      Microchimica Acta 164

      ページ: 673-683

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ナノ流体化学システムの基盤技術開発2009

    • 著者名/発表者名
      火原彰秀
    • 雑誌名

      生産研究 61

      ページ: 79-82

  • [雑誌論文] Microfluidic distillation utilizing micro-nano combined structure2008

    • 著者名/発表者名
      A.Hibara, K.Toshin, T.Tsukahara, K.Mawatari, T.Kitamori
    • 雑誌名

      Chemistry Letters 37

      ページ: 1064-1065

    • 査読あり
  • [学会発表] Study on vapor-liquid phase transition phenomena in extended-nano space2008

    • 著者名/発表者名
      塚原剛彦・前田拓・馬渡和真・火原彰秀・北森武彦
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences(μTAS2008)
    • 発表場所
      San Diego, CA, USA
    • 年月日
      2008-10-14
  • [学会発表] 毛管蒸発を利用した拡張ナノ空間内における気液相転移現象の解析2008

    • 著者名/発表者名
      塚原剛彦,前田拓,馬渡和真,火原彰秀,北森武彦
    • 学会等名
      第17回化学とマイクロ・ナノシステム研究会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2008-05-21
  • [図書] マイクロ・ナノ化学チップと医療・環境・バイオ分析2009

    • 著者名/発表者名
      火原彰秀(分担執筆)
    • 総ページ数
      477
    • 出版者
      技術教育出版
  • [備考]

    • URL

      http://www.hibara.iis.u-tokyo.ac.jp/

  • [備考]

    • URL

      http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kitamori/

URL: 

公開日: 2011-06-16   更新日: 2016-04-21  

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