| 研究課題/領域番号 |
19K21950
|
|---|
| 研究機関 | 早稲田大学 |
|---|
研究代表者 |
澤田 秀之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00308206)
|
|---|
| 研究分担者 |
前田 真吾 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (40424808)
重宗 宏毅 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (40822466)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2022-03-31
|
| キーワード | 油滴 / マランゴニ対流 / オレイン酸 / 界面活性剤 / 化学反応 / 自走 / 形状記憶合金ワイヤ / 水中搬送 |
|---|
| 研究実績の概要 |
油滴を界面活性剤の水溶液に滴下すると、油滴界面に界面活性剤の濃度差ができ油滴内部にマランゴニ対流が発生する。このマランゴニ対流によって、油滴が水溶液内を自走する現象が報告されている。電気などの外部エネルギーを必要としない化学反応に起因する自律的現象は、ミリ・マイクロスケールにおける有力な物体移動法となり得る。油滴の自走機序は流体力学的現象に基づくものであるが、未だ詳細に解析された報告は見当たらず、またこの原理に基づく油滴の自走制御は前例がない。本研究では、微細な形状記憶合金（SMA: Shape memory alloy）ワイヤアクチュエータを油滴の外骨格として与えることで、油滴の自走方向および速度の動的制御に挑戦する。
研究初年である2019年度はまず、界面活性剤の水溶液中に無水オレイン酸を主成分とする油滴を滴下し、安定して自走を始めるまでの過程を観察した。油滴中に微粒子を混入させることで、内部の対流を可視化することに成功した。観察と物理シミュレーションにより、油滴の周りにランダムにオレイン酸が付着して油滴界面に濃度差が発生し、その内部に表面張力差が生じることでマランゴニ対流が起こることを示した。また、油滴は対流の方向に自走を始めるが、その形状がブーメラン型となって内部の対流を安定化することも解った。そこで、ブーメラン型にくり抜いた外骨格を用いることで、油滴の自走方向と速度を制御できることを見出した。外骨格により油滴が自律的変形を起こし、マランゴニ対流発生の境界条件を変化させることで、結果的に油滴の自走制御へ繋がることを示した。更に、SMAワイヤを使って、外骨格のフレームを微小変形させる機構の基礎実験をおこない、油滴形状の変形の可能性の検討をおこなった。
|
| 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
油滴を界面活性剤の水溶液に滴下すると、油滴界面に界面活性剤の濃度差ができ油滴内部にマランゴニ対流が発生する。本研究は、このマランゴニ対流によって、無水オレイン酸を主成分とする油滴が水溶液内を自走する現象を物理学的に解明し、更にその自走を制御する手法を実現することを目的としている。油滴の自走機序は流体力学的現象に基づくものであるが、未だ詳細に解析された報告は見当たらず、またこの原理に基づく油滴自走の制御は前例がない。
そこでまず、自走する油滴内のマランゴニ対流を可視化する研究をおこなった。油滴にトレーサ粒子を入れ、紫外線で発光させることでカメラにより撮像が可能となった。PIV（粒子画像流速測定）法により粒子の流れをトラッキングすることで、マランゴニ対流の様子を観測した。更に、ブーメラン型にくり抜いた外骨格の中に油滴を滴下することで、その自走方向とマランゴニ対流との関連性の考察をおこなった。
さらに、外骨格の形状を変形させるためのアクチュエータとして、形状記憶合金(SMA)ワイヤの特性を調べた。直径50μmの微細ワイヤは、微小電流を流すことで長さ方向に縮むことが解ってる。SMAワイヤを用いて外骨格のフレームを微小変形させる検討をおこなった。
以上のとおり、当初の研究計画どおりに順調に進展しているといえる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、微細な形状記憶合金ワイヤアクチュエータを油滴の外骨格として与えることで、油滴の自走方向および速度の動的制御をおこなうことを目的としている。初年度の研究で、ブーメラン型にくり抜いた外骨格を用いることで、油滴の自走方向と速度を制御できることを示した。しかし、自走速度やその安定性は、無水オレイン酸や界面活性剤の濃度だけでなく、環境温度や湿度など他の環境要因や、物理学的作用にも影響を受けることが解って来た。例えば、湿度が低いほど水面からの蒸発量が大きくなり、気化熱で温度が奪われることで水面の表面張力が大きくなり、内部対流発生へ影響を与えることなどが予想される。
そこで2020年度は、考えうる環境要因を固定、あるいは変化させながら、マランゴニ対流と自走現象との関連を詳細に調査、考察していく。これらの考察には油滴内部の対流の可視化が不可欠である。これまでは直径数ミリ～10ミリ程度の油滴を、シャーレ上方からカメラで撮像し、2次元的に観察していたが、自走油滴を追従しながら内部の流れを3次元的に観察する手法を開発する。油滴内部のトレーサ粒子の流れの時間変化を解析することで、環境要因と自走との関連が考察可能となる。
さらに、これまで考察してきたオレイン酸系の油滴だけでなく、ペンタノール系の自走油滴についても、内部対流と自走との関連を調査する。二種類の油滴について、各種環境要因、濃度依存性、内部対流との関連を詳細に解析して、駆動原理の理論化につなげていく。また、SMAワイヤアクチュエータを油滴の外骨格として与えることで、油滴の自走方向および速度の動的制御を実現し、溶液中のドラッグデリバリーシステムなどへの展開を進める。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナウィルス問題により、購入予定の実験機器の納入が未定となったため、購入を次年度に持ち越しとした。また、成果発表のための外国出張もなくなり、これに伴い旅費の主出を次年度に持ち越すこととした。研究については、これまでに購入していた機器を流用することで、最低限の実験が可能となり、研究の進捗には影響はなかった。
|
