2021 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of active matter mechanics by surface plasmon resonance observation
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18K18816
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
渡部 正夫 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30274484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 一道 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140)
藤井 宏之 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00632580)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン共鳴 / アクティブマター / 表面極近傍流れ場 / 濃度分布計測 / マイクロ流体システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，アクティブマターを用いたマイクロ流体システムを開発するために，アクティブマターのメカニズムを解明することである．液滴アクティブマターのメカニズムを解明するためには，分散質（液滴）と分散媒との固体表面上での挙動を解明する必要がある．液滴と分散媒が混和性の場合には，移流による物質移動と相互拡散による物質移動が発生するため，個体表面極近傍での液滴と分散媒の濃度分布を計測することが必要不可欠となる．そのため，以下の２事項に着目して検討した．
１．表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムの構築：固体表面極近傍での液滴・分散媒の濃度分布を計測するために，表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムを構築した．表面プラズモン共鳴の共鳴条件が，基板表面の状態に敏感に変化することを利用して，基板表面への赤色光入射角を固定することで，基板表面極近傍の液滴・分散媒濃度分布を反射率の関数として 光強度分布として定量化可能である．今年度は，液滴として水，分散媒としてエタノールを用いた．基板表面への入射光角度を水の表面プラズモン共鳴角度に固定して，固体表面極近傍における水・エタノール混合溶液の水平方向濃度分布の時間変化を高速度カメラで撮影することに成功した．
２．エタノール薄液膜に衝突する水液滴挙動の固体表面極近傍での観察：底面を金薄膜を蒸着したスライドガラスとするアクリル製の検査容器を作成しプリズム上に設置し，容器の中にエタノール薄液膜を形成した．直径2mm程度の水液滴を自由落下させエタノール薄液膜に衝突させた．エタノール薄液膜厚さと水液滴落下高さとをパラメータとして，衝突後の水液滴とエタノールの混合溶液の固体表面極近傍での挙動を検討するために，表面プラズモン共鳴観察を行い，固体極近傍での水平方向濃度分布を高速度カメラを用いて観察した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウィルス感染症対策のため，北海道大学の行動指針レベル３の期間（71日間）は週に1-2日程度，レベル２の期間（220日間）は週に3-4日程度のみ，本事業推進のため実験室を使用することが可能であり，非常に大きな時間的制約の中で，実験装置の組上げ・調整・試験・実験を行った．しかしながら，実験室使用時間が限られていたため，本年度の到達目標としていた表面プラズモン鏡面観察による固体表面極近傍の輸送現象解析を行うまでには到達できなかった．そのため，次年度に事業を継続し，時間的制約のために未達であった課題を解決する．
本年度は，固体表面極近傍での液滴・分散媒の濃度分布を計測するために，表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムを構築した．表面プラズモン共鳴の共鳴条件が，基板表面の状態に敏感に変化することを利用して，基板表面への赤色光入射角を固定することで，基板表面極近傍の液滴・分散媒濃度分布を反射率の関数として 光強度分布として定量化可能である．今年度は，液滴として水，分散媒としてエタノールを用いた．基板表面への入射光角度を水の表面プラズモン共鳴角度に固定して，固体表面極近傍における水・エタノール混合溶液の水平方向濃度分布の時間変化を高速度カメラで撮影することに成功した．また．底面を金薄膜を蒸着したスライドガラスとするアクリル製の検査容器を作成しプリズム上に設置し，容器の中にエタノール薄液膜を形成した．直径2mm程度の水液滴を自由落下させエタノール薄液膜に衝突させた．エタノール薄液膜厚さと水液滴落下高さとをパラメータとして，衝突後の水液滴とエタノールの混合溶液の固体表面極近傍での挙動を検討するために，表面プラズモン共鳴観察を行い，固体極近傍での水平方向濃度分布を高速度カメラを用いて観察した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，構築された装置を用いて，アクティブマターを用いたマイクロ流体システムを開発するために，分散質（液滴）と分散媒との固体表面上での挙動を解明する．表面プラズモン共鳴観察を用いて液滴と分散媒の濃度分布を観察し，移流による物質移動と相互拡散による物質移動が発生する個体表面極近傍での輸送現象を検討する．
１．表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムの改良：前年度までは固体表面に入射する赤色光の入射角度を水の表面プラズモン共鳴角度に固定して観察を行ったが，この角度ではエタノール濃度が50%程度以上の場合に濃度依存の輝度関数が二価関数となってしまう．そこで，水とエタノールの表面プラズモン共鳴角度を高精度で切替可能な工学システムを構築し，十分に再現性を確認した上で，全濃度解析可能な濃度分布観察システムを構築する．
２．エタノール薄液膜に衝突する水液滴挙動の固体表面極近傍での観察：液滴が液膜と接触すると接触線の移動および液滴の位置エネルギーと運動エネルギーのために液膜内流動が発生する．この流動による物質輸送が行われるが，この流動からは予測不可能な輸送現象が固体表面極近傍で発生することが，前年度までの観察結果により得られている．この固体表面極近傍の輸送現象を観察するために，今年度はマイクロスケール流動現象観察も同時に行う．表面プラズモン共鳴観察は，実質的には容器下面から液滴の薄液膜への衝突過程を観察することに相当する．側方からの衝突過程観察と同期観察することによって，マイクロスケールの液滴・液膜挙動から予想される輸送現象と比較することにより，表面プラズモン共鳴観察による界面極近傍での輸送現象の特異性を検討する．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス感染症対策のため，北海道大学の行動指針レベル３の期間（71日間）は週に1-2日程度，レベル２の期間（220日間）は週に3-4日程度のみ，本事業推進のため実験室を使用することが可能であり，非常に大きな時間的制約の中で，実験装置の組上げ・調整・試験・実験を行った．しかしながら，実験室使用時間が限られていたため，本年度計画していた，表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムの改良，および薄液膜に衝突する液滴挙動の固体表面極近傍での観察が未達となっている．表面プラズモン共鳴観察システム改良のためには，光学システムを改良し，より精度の高い角度調整のための光学素子が必要となり，そのために次年度使用額を使用する．また，薄液膜に衝突する液滴挙動の固体表面極近傍での観察のためには，金薄膜蒸着スライドガラス・薬液・光学素子等の消耗品と，新たに光源が必要となり，そのために次年度使用額を使用する．
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