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2013 年度 実績報告書

局所物性分布の複合的利用による新規熱物質輸送手法の提案

研究課題

研究課題/領域番号 25709013
研究種目

若手研究(A)

研究機関東京理科大学

研究代表者

元祐 昌廣  東京理科大学, 工学部, 講師 (80434033)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード物性制御 / マイクロナノ伝熱 / マイクロデバイス
研究概要

初年度は基本的な実験装置の開発,及び計測装置の高度化を重点的に実施し,熱流動場の3次元計測を通じて各種現象のモデリングを行った.
(1) 任意パターン光照射装置,及び3次元熱流動場計測用装置の開発
微小空間内に任意形状の光パターンを照射して,対応した温度分布を形成するため,フォトマスクによるパターン光をデバイスに集光照射できるような顕微光照射システムを開発した.それを現有の温度・速度場計測用マイクロPIV/LIFシステムに開発した側方観察光学系を組み込み,3次元計測用に発展させ,同一装置で水平・垂直方向の3次元現象の計測が可能な系を構築した.デバイスには,透明導電膜ITOをパターニングした電極基板とPDMS流路でデバイス作成することで,光照射と電場印加を同時に可能とした.また,下方観察による微粒子画像からデフォーカス度より流路内の微粒子の3次元位置を再構成する3次元計測に関して,予備的実験を行い,その有効性を明らかにした.
(2) 光・電場による熱流動場の3次元計測及び定量化
櫛歯型ITO電極に交流電場を印加し,そこへスポット状,ライン状の加熱光パターンを照射したときに誘起される流動を可視化し,電気・光熱変化の複合利用による流動の存在を確認した.また,光照射のON/OFFや強度の時間変化など,過渡状態について,液中の熱拡散時間を基準として熱流動場の時間応答を調べた.照射光のパターンを多点スポットや縞状などに変化させ,併せて電界強度や印加周波数も変化させて熱流動場を計測し,物理現象の基礎モデリングの基礎データを取得した.

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

当初の研究計画をほぼ予定通り遂行できている.

今後の研究の推進方策

今後は,昨年度に開発した実験・計測装置をさらに高度化させるととともに,多彩な物性分布制御の可能性について検証を行う.
(1) 実験・計測装置の高度化:櫛歯型ITO電極デバイスに交流電場を印加し,スポット状,ライン状の加熱光パターンを同時に照射したとき温度分布を精密に計測し,その際に液体中に発生する物性の分布および誘起される流動場を,計測結果を元にシミュレーションによって求め,電極形状や加熱光パターンを変化させた場合の影響を求める.温度分布を動的に制御した場合,例えば,位相が一定方向に進む進行波電界及び進行波温度分布を与えた場合の現象を実験的に明らかにする.
(2) 界面操作による液滴制御:液滴流を対象とした場合には,温度分布に起因した界面張力勾配によるマランゴニ対流が発生し,様々な温度場に対応した液滴の操作につながるため,この挙動を予測するために液滴への駆動力を導出し,温度場に応じた駆動力分布を求める.そして,実際に直径10-100μm程度の液滴をマイクロ流路内へと流し,液滴の起動を求め,リモート界面操作手法としての可能性を検証する.
(3) 刺激応答性物質を用いた能動的熱流動制御:カチオン性界面活性剤と対イオンを混入したppmオーダーの希薄高分子水溶液において,局所加熱によるミセル構造変化に伴う粘性変化が引き起こす熱流動場を詳細に計測し,現象を解明し,制御条件をまとめる.また,加熱に依らず光に由来した構造変化で粘性が変化する光粘性流体についても同様の実験を行い,現象の差異から熱拡散の影響を評価する.また,微視的構造変化による体積相転移に伴って親水・疎水性が変化する高分子を流路壁面に塗布し,局所加熱による壁面性状変化が及ぼす影響を評価する.また,パターン塗布し,温度変化を与えた場合についても実験を行い,濡れ性変化と現象の関係をまとめる.

次年度の研究費の使用計画

現有のレーザー機器の利用を想定していたが,故障により修理を要し,そのために一部光学機器の導入に遅れが生じたため
レーザー光パターンを照射するための空間光変調器を導入予定

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2013 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Improved particle concentration by cascade AC electroosmotic flow2013

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Motosuke, Keichi Yamasaki, Akihiko Ishida, Hikaru Toki, Shinji Honami
    • 雑誌名

      Microfluidics and Nanofluidics

      巻: Vol. 14, No.6 ページ: 1021-1030

    • DOI

      10.1007/s10404-012-1109-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Particle sorting by optical radiation pressure with low energy density2013

    • 著者名/発表者名
      Hideharu Kotari, Masahiro Motosuke, Shinji Honami
    • 雑誌名

      La Houille Blanche

      巻: No. 4 ページ: 72-78

    • DOI

      10.1051/lhb/2013036

    • 査読あり
  • [学会発表] 3D velocity measurement by orthogonal-plane micro PIV for electrokinetic enhancement of surface reaction

    • 著者名/発表者名
      Akihiko Ishida, Daisuke Ichimura, Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      ASME 2013 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels (ICNMM)
    • 発表場所
      Sapporo, Japan
  • [学会発表] Photothermal actuation for flexible control of microfluidic bubbles and drops

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      ASME 2013 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels (ICNMM)
    • 発表場所
      Sapporo, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Simple particle sorting in microfluidic system by optical scattering force with large area irradiation

    • 著者名/発表者名
      Hideharu Kotari, Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      3rd International Conference on Optofluidics
    • 発表場所
      Hong Kong, China
  • [学会発表] Colloidal particle sorting with scattering force via planar waveguide

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Motosuke, Hideharu Kotari
    • 学会等名
      IEEE Optical MEMS and Nanophotonics
    • 発表場所
      Kanazawa, Japan
  • [学会発表] Defocusing characteristics in anamorphic and isotropic imaging of particles in microchannel for three-dimensional flow measurement

    • 著者名/発表者名
      Hiromu Wakayama, Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      4th International Symposium on Micro & Nano Technology (ISMNT4)
    • 発表場所
      Shanghai, China
  • [学会発表] Continuous concentrator for nanoparticle based on cascade AC electroosmotic flow

    • 著者名/発表者名
      Koichi Yamasaki, Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Science (micro-TAS)
    • 発表場所
      Freiburg, Germany
  • [学会発表] On-demand photothermal patterning of pathway for picoliter droplet

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Muto, Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Science (micro-TAS)
    • 発表場所
      Freiburg, Germany
  • [学会発表] An evaluation of manipulation force for droplet by photothermal Marangoni effect

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Muto, Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      The 12th International Symposium on Fluid Control,Measurement and Visualization (FLUCOME)
    • 発表場所
      Nara, Japan
  • [学会発表] Estimation of manipulation force for droplet in O/W system under photothermal interfacial control

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Motosuke, Masakazu Muto
    • 学会等名
      66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 発表場所
      Pittsburg, USA
  • [学会発表] A potential of light-induced non contact control of droplet in microfluidic platform

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Motosuke
    • 学会等名
      International Conference on Small Science (ICSS 2013)
    • 発表場所
      Las Vegas, USA
    • 招待講演
  • [学会発表] プレーナー光学素子を用いた微粒子からの光散乱検出デバイスの開発

    • 著者名/発表者名
      塚田拓也, 元祐昌廣
    • 学会等名
      第49回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      仙台
  • [学会発表] 光熱マランゴニ効果を用いた微小液滴操作時における駆動力の評価

    • 著者名/発表者名
      武藤真和, 元祐昌廣
    • 学会等名
      第41回可視化情報シンポジウム
    • 発表場所
      工学院大学, 東京
  • [学会発表] 流体物性の温度依存性を利用したマイクロ対流現象

    • 著者名/発表者名
      元祐昌廣, 市村大亮
    • 学会等名
      日本流体力学会年会
    • 発表場所
      東京農工大学, 東京
  • [学会発表] 広域照射による光放射圧を用いた簡易微粒子輸送法

    • 著者名/発表者名
      神足英春, 元祐昌廣
    • 学会等名
      第5回マイクロナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      仙台

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公開日: 2015-05-28  

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