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2019 年度 実績報告書

動的濡れを駆使した自発的『メニスカス・ポンプ』機構の解明と最適化

研究課題

研究課題/領域番号 19H02083
研究機関東京理科大学

研究代表者

上野 一郎  東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (40318209)

研究分担者 堀 琢磨  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50791513)
元祐 昌廣  東京理科大学, 工学部機械工学科, 准教授 (80434033)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード動的濡れ / メニスカス / 表面張力
研究実績の概要

本研究では『動的な濡れ』力学を駆使し,系外からの新たなエネルギー注入を必要としない超高効率液滴搬送機構,すなわち本研究で提案する『メニスカス・ポンプ』機構の解明を目的とする.マクロからミクロスケールにわたって多重スケールで展開する『動的な濡れ』力学に焦点を当て,基板上微小構造物との相互作用によって液滴前縁部が加速する機構の解明を目指す.具体的には,(1)自作装置による高精度光学計測実験,(2)液滴前縁部における微視的濡れ機構を考慮した理論解析,(3)マクロ・ミクロスケール界面熱流体数値解析,を融合したアプローチによって,液体と基板上構造物との連続的な相互作用と自発的加速を実現する本機構の解明を目指す.2019年度においては,(1) 異なる高さを有するピラー状構造物を用いた実験系の構築を行い,予備的研究結果を行った.(2) メニスカス形成初期におけるメニスカス内流動場に関する数値解析の知見をベースに,検討を行った.さらに,分子動力学に基づく動的濡れの解析に着手し,コンタクトラインの移動および接触角の関係について解析を進めた.(3) 単一および2つの球状粒子を用いた解析を行い,メニスカス形成による自発的加速現象とメニスカス内対流場の関係を明らかにした.また,複数の構造物が存在する場合により大きな加速が実現する現象を再現し,そのメカニズムを明らかにした.11月に渡仏し,フランス側の共同研究者とこれまでの進捗状況,投稿論文,今後の予定について打ち合わせを行った.本年度の研究成果は,学術論文2編(掲載済み),国際会議にて2件の発表を行った.なお,発表した学術論文のうち1編については,掲載誌のsupplement cover に選出された.

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

本研究の申請時に掲げた目標は以下の4点である.
【目標 1】液滴前縁部が基板上構造物に接触した際のコンタクトライン移動・メニスカス形成と,それに伴う液膜内速度場・圧力場計測を通じた,構造物周りの加速・減速機構の解明
【目標 2】複数の基板上微小構造との相互作用時の先行薄膜領域の実験的定量化,および,分子動力学によるその応力場解析
【目標 3】先行薄膜の過渡的形成過程を含むミクロスケール動的濡れ効果を導入した理論モデルの構築
【目標 4】液滴前縁部の駆動を連続的かつ効率的に実現する微小構造物群最適設計の体系化
このうち,目標1および目標2については,当初の計画以上に進展している.特に,数値計算による『メニスカス・ポンプ』機構に関する解析においては,単一および2つの球状粒子を用いた解析を行い,メニスカス形成による自発的加速現象とメニスカス内対流場の関係を明らかにして学術論文2編の発表に繋がったことは多いに進展していると認識している.特に複数の粒子を対象とした系において,局所的加速現象の機構の説明に至ったことは今後の研究進展に大きな意味をもたらす.一方で,実験的研究は知見の蓄積は進んでいるが,解像度の点で今後の改善が必要であると考えている.また,理論的アプローチについても,継続的に進めていく必要がある.なお,COVID-19の世界的感染拡大により,3月は研究室活動を停止,4月から5月末にかけては大学の入構禁止措置により,実験的研究は完全にストップ,数値解析についても昨年度と比べてきわめて進度が遅れているのが現状である.6月以降の研究活動の状況については現時点では不明である.

今後の研究の推進方策

2019年度の研究において,メニスカス内部流動に関する解析が進み,これまでの実験的研究では気付いていなかった興味深い現象を発見することが出来た.2020年度においては,この内容について精査し,『メニスカス・ポンプ』機構およびその性能との関係性を明らかにしていきたいと考えている.解像度的に厳しいのは認識しているが,実験においてもこの数値解析で得られた知見を実証していく方向で研究を進めていきたい.分子動力学的解析は,今後も研究を重ね,マクロ的視点での動的濡れ現象との相関を明らかにしていく予定である.この成果により,マクロ的数値解析の解釈を深化することが出来ると考えられる.複数の微小構造物を用いた系における解析は,実験的なアプローチが難しい点がいくつか判明しており,その点の克服に注力したい.2020年度においては,(1)共同研究者を招聘し研究代表者のグループとの合同実験,(2)研究成果の国際会議での発表を予定していたが,COVID-19の世界的感染拡大によりいずれも困難になったと考えている.特に,4月から5月末にかけては大学の入構禁止措置により,実験的研究は完全にストップ,数値解析についても昨年度と比べてきわめて進度が遅れているのが現状である.共同研究者との遠隔会議などを通じて別の取り組みを模索し少しずつでも研究を進展していく予定である.今年度においても,研究成果を学術雑誌等の媒体に発表していきたいと考えている.

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] Univ. Lille/Univ. Paris-Saclay/Univ. Cote d'Azur(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Univ. Lille/Univ. Paris-Saclay/Univ. Cote d'Azur
  • [国際共同研究] Dalian University of Technoloty(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Dalian University of Technoloty
  • [雑誌論文] Enhancement of meniscus pump by multiple particles2020

    • 著者名/発表者名
      Hayate Nakamura, Victor Delafosse, Georg F. Dietze, Harunori N. Yoshikawa, Farzam Zoueshtiagh, Lizhong Mu, Takahiro Tsukahara and Ichiro Ueno
    • 雑誌名

      LANGMUIR

      巻: 36 ページ: 4447 - 4453

    • DOI

      https://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03713

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Pumping effect of heterogeneous meniscus formed around spherical particle2020

    • 著者名/発表者名
      Hayate Nakamura, Tetsuya Ogawa, Motochika Inoue, Takuma Hori, Lizhong Mu, Harunori N. Yoshikawa, Farzam Zoueshtiagh, Georg F. Dietze, Takahiro Tsukahara and Ichiro Ueno
    • 雑誌名

      J COLLOID INTERF SCI

      巻: 562 ページ: 133 - 141

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.12.005

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Fully-automatic blood-typing chip exploiting bubbles for quick dilution and detection2020

    • 著者名/発表者名
      Ken Yamamoto, Ryosuke Sakurai and Masahiro Motosuke
    • 雑誌名

      Biomicrofluidics

      巻: 14, No.2 ページ: 024111

    • DOI

      10.1063/5.0006264

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Concentration-adjustable micromixer using droplet injection into a microchannel2019

    • 著者名/発表者名
      Ryosuke Sakurai, Ken Yamamoto and Masahiro Motosuke
    • 雑誌名

      Analyst

      巻: 144 ページ: 2780-2787

    • DOI

      10.1039/C8AN02310G

    • 査読あり
  • [学会発表] Effect of heat loss on hydrothermal wave instability in half-zoneliquid bridges of high Prandtl number fluid2019

    • 著者名/発表者名
      Sorachi Fujimoto
    • 学会等名
      8th International Symposium on Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics (BIFD2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of wettability on macrovoid formation in viscous-fluid impregnation to woven fiber bundles2019

    • 著者名/発表者名
      Kota Yoshihara
    • 学会等名
      22nd International Conference on Composite Materials (ICCM2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of wettability on impregnation process of viscous fluid to woven fiber bundles2019

    • 著者名/発表者名
      Atsuki Mizuno
    • 学会等名
      22nd International Conference on Composite Materials (ICCM2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical simulation of spreading liquid film subject to interaction with two spherical particles on horizontal smooth substrate2019

    • 著者名/発表者名
      Hayate Nakamura
    • 学会等名
      microfluidics 2019
  • [学会発表] Successive acceleration of macroscopic contact line of droplet induced by interaction with multiple pillars2019

    • 著者名/発表者名
      Yuta Takase
    • 学会等名
      microfluidics 2019
  • [学会発表] Microfluidic handling and evaluation of nanoparticles in water2019

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      International Workshop on Environmental Engineering 2019 (IWEE2019)
  • [学会発表] Fully-automated sensitive blood-typing chip2019

    • 著者名/発表者名
      Ken Yamamoto
    • 学会等名
      23rd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Science (micro-TAS)
    • 国際学会

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公開日: 2021-01-27  

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