2015 Fiscal Year Annual Research Report
局所的なイオン流動現象の可視化観察および理論的究明
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15J05181
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
矢野 絢子 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | EHD流 / イオン交換膜 / 電解質溶液 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
外部から電場を印加することで溶液中のイオンが静電気力によって運動し，それに溶媒分子が追従することで流体が駆動される現象はElectrohydrodynamics (EHD)として知られている．EHD現象は，化学的平衡状態において電気的中性の液体を静電気力によって強制的に駆動するため，イオンの偏りを生じさせる必要があり，少なくとも数10V以上の高電圧が必須とされてきた．
マイクロ・ナノスケールの流路では，流路壁面に引き寄せられたイオンによって電気二重層が形成されるため，電圧を印加すると電気浸透流(EOF)が生じる．しかしながらこれらの流れは壁面電荷に依存するため，デバイスの設計や溶液の調製には厳しい要求が課せられ，現象を利導するための熟練した技術と設備投資は応用展開のボトルネックとなる．そこで，マイクロ・ナノスケール特有の現象である分離したイオンの流れ場を，任意のスケールへ拡張可能とする新奇技術の確立を目的とした研究計画を提案する．本研究では，陰イオン交換膜を用いた独自の機構によって低電圧の印加でもイオンの偏在を可能とし，電解質溶液中におけるEHD現象を解明することを目的とする．
電解質溶液を電気分解するとき，液中のイオンがその電荷と対になる電極に引かれることで濃度勾配が生じる結果，拡散と電気泳動によって正・負イオンが電極間を移動する．しかし，強い電場と濃度勾配は電極の極近傍に限られるため一般に溶媒の流れは生じない．そこで，溶液中の電極間にイオン交換膜を設置し，そこに孔を設けることにより正・負イオンの輸送経路を分離する．イオン交換膜は正負いずれかのイオンを選択的に通すため，平衡状態が乱される瞬間に，一方のイオンが孔に集中して溶媒の流れを誘起すると推察される．実験では，孔を設けた陰イオン交換膜と水酸化ナトリウム水溶液を用い，陽イオンが周囲流体を引きずることによって駆動されるEHD流の可視化観察および電気計測を行う．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，直流電場に対する応答に重点を置き，今後の研究の基盤となるEHD流の特性を明らかにした．距離25～30 mmの電極に2.2 Vの直流電圧を印加した際，1 mm×1 mmの矩形断面をもつ流路内に，0.1～数mm/sオーダの流動が生じることを確認し，さらに電圧印加時刻から0.2 s遅れてEHD流が生じることを確認したため，電圧印加後，溶液中にイオン濃度差が生じることによってEHD流が駆動されていることが分かった．イオン濃度差によってEHD流が生じるということに関して現在論文を執筆中である．続いて，イオン交換膜や電極の大きさ，水酸化ナトリウム水溶液中のイオン濃度をパラメータとして変化させ，生じるEHD流の流速や時定数に与える影響を評価した．陰イオン交換膜の面積を増加させると，それに伴って孔両端の電位差は減少しており，これは面積の増加とともに溶液を入れるリザーバも大きくなっているため溶液中のイオンがすぐに緩和し，膜の両端におけるイオン濃度勾配が小さくなったためであると考えられる．また，生じるEHD流の速度と膜の面積との相関は見られなかった．電極の面積を変化させると，各面積の電極において観察されたEHD流の最高速度は電極面積の増加に応じて増加する傾向がみられた．しかしながら，その傾向に沿わない結果も得られたため，速度を決定するパラメータは他にもあると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きEHD流を制御するためのパラメータを模索する．今年度の実験結果から，イオン濃度勾配によってEHD流が誘起されていることが分かったためイオン濃度勾配を生じさせるデバイスを作製し，特性を解明する．また，直流電場に対するEHD流の応答は徐々に解明されているので，今後は交流電場を用いて実験を行う．まずは数秒周期で印加電圧の正負を切り替えることで電圧に対応した流れが駆動されることを確認し，その後，印加電圧の周期を短くすることで流体がどの程度の周期まで応答するかを調べる．流体が印加電圧の変化に追従不可能となる周期が解明すれば，それを応用することで，実用的分野に応用する際に不可欠である定常的な流動を駆動できる可能性が示唆される．
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