JP2006523533A - 超撥水性表面を有するマイクロ流体装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ流体装置は装置の流体流路に耐久性のある超撥水性流体接触表面を有する。超撥水性表面は、概ね、多数の突出する規則的形状のマイクロスケールまたはナノスケールの突出部を有する基材部分を含む。突出部は、表面が臨界接触線密度と等しいかそれよりも大きくなるように、また、突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法の比が０．１以下となるように、規則的なアレイで配置されている。

Description

関連出願
本出願の原出願は、２００３年４月１５日出願の「高圧液体のための超撥水性表面」という名称の米国仮特許出願第６０／４６２９６３号の利益を主張している。この仮特許出願は本明細書おいてその全体が文献援用されている。本出願は２００３年６月３日出願の「超撥水性表面を有する流体処理部品」という名称の米国特許出願第１０／４５４，７４２号の利益をさらに主張している。この出願も本明細書においてその全体が文献援用されている。本出願は２００３年８月２９日出願の「超撥水性表面を有するマイクロ流体装置」という名称の米国特許出願第１０／６５２，５８６号の利益をさらに主張している。

発明の分野
本発明は、概ね、マイクロ流体装置、より詳しくは、超撥水性流体接触表面を有するマイクロ流体装置に関する。

発明の背景
マイクロ流体装置の開発と使用に対しては、近年、多くの関心と労力が向けられている。マイクロ流体装置は、印刷装置およびいわゆる「ラボオンチップ」装置において、すでに有益な用途が発見されている。これらの装置では、複雑な化学的および生化学的な反応がマイクロ流体装置内で行われる。このようなシステムでは反応に必要な液体の量が非常に少ないため、反応の反応時間を長く、サンプル量を少なく、試薬コストを低くすることができる。技術が改良され、開発が進むにつれて、さらに無数の用途が明らかになることが予想される。

マイクロ流体装置の設計における重要な要素は、装置の微小通路における流体と表面との接触によって起きる流体移動に対する抵抗である。この抵抗を克服するため、装置内では高い流体圧力が必要である。一方、装置内での流体流量は、装置が耐え得る圧力の量または装置で行われるプロセスによって制限される。さらに、微小流路の表面の特徴によって、流路における圧力損失は大きく変動する。

同業界で必要とされるのは、予測可能で最適なレベルの流体の流れに対する抵抗を有する流体流路を有するマイクロ流体装置である。
米国特許第４，０４４，７９７号明細書 米国特許第６，３７１，４１４号明細書 米国特許出願公開第２００４／００８１７６０号明細書

発明の概要
本発明は、予測可能な最適レベルの流体流抵抗を有する流体流路を有するマイクロ流体装置についての業界の必要性を満たす。本発明では、マイクロ流体装置の流体流路のすべてまたは何らかの部分が、耐久性のある超撥水性流体接触表面を有する。超撥水性表面は、概ね、突出する規則的形状のマイクロスケールまたはナノスケールの複数の突出部を有する基材部分を含む。突出部は、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が、式

にしたがって決定される臨界接触線密度値“Λ_L”と等しいかそれよりも大きくなるように、さらには、突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法の比が０．１以下であるように、規則的なアレイで配置されている。式中、Ｐは流体流路内における所定の最高予想流体圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θ_ａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角である。

突出部は、基材材料そのものまたは基材材料上に、あるいは基材の表面に配置された一層以上の材料に形成される。突出部は、規則的または不規則的な形状の三次元のソリッドまたは凹部であり、何らかの規則的な幾何学的パターンで配置される。

本発明はまた、マイクロ流体装置を製造するプロセスを含む。このプロセスは、流体接触表面を有する少なくとも一つの微小流体流路を本体に形成する段階と、ほぼ均一な形状の多数の突出部をほぼ均一なパターンで流体接触面上に配置する段階とを含む。各突出部は、断面寸法と、流体接触表面に対する突出部立上り角とを有する。突出部は、ほぼ均一な間隔寸法によって離間しており、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が、式

にしたがって決定される臨界接触線密度値“Λ_L”と等しいかそれよりも大きくなるように位置決めされている。式中、Ｐは流体流路における所定の最高予想流体圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θ_ａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角である。突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法の比は、好ましくは、０．１以下、最も好ましくは、０．０１以下である。

突出部は、フォトリソグラフィを用いて、またはナノ機械加工、マイクロ打抜き加工、マイクロ密着焼付け、自己集合金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノ機械加工、ゾル−ゲル成形、自己集合単分子層方向性パターンニング、化学エッチング、ゾル−ゲル打抜き加工、コロイドインクによる焼付けを用いて、または平行カーボンナノチューブの層を基材上に配置することによって形成される。プロセスは、式

によってメートルで表される臨界突出部高さ値“Ｚ_ｃ”を決定する段階をさらに含む。式中、ｄはメートルで表される隣接する突出部の間の最短距離であり、θ_ａ，０は表面における度で表される液体の真の前進接触角であり、ωは度で表される突出部立上り角である。

超撥水性流体接触表面を有するマイクロ流体装置の流体流路は流体の流れに対してきわめて低い抵抗を示し、装置の効率を大きく改良し、装置間の圧力を低下させ、流体の流れの処理量を改良することが予想される。超撥水表面は耐久性があり、最高設計圧力までの流体圧力において予測可能な超撥水性を示すことが可能である。

発明の詳細な説明
本出願において、「マイクロ流体装置」の語は、流体との接触、流体の取扱い、運搬、収容、処理、搬送に使用される他の装置または部品であって、微小寸法の一つ以上の流体流路を流体が流れるようになっているものを広く指す。本出願では、「微小」は５００μｍ以下の寸法を意味する。「流体流路」は、流体の流通、運搬、収容、搬送に使用される通路、導管、パイプ、管、室、何らかの断面形状を有する他の密閉空間を広く指す。「流体接触表面」の語は、流体と接触している流体流路の表面またはその部分を広く指す。

流体流通部品の流体接触表面の物理的特徴が流体と部品との摩擦に影響を有することは周知である。例えば、概して、滑らかな表面は摩擦を低下させるが、粗い表面は摩擦を増大させる。ＰＴＦＥまたは他のエンジニアリングポリマーなど、浸潤に対する耐性を有する材料から製造された表面は、比較的低い流体摩擦を示す。液体による浸潤に対して耐性を有する表面は、「撥性(phobic)」表面と呼ばれる。このような表面は、液体が水である場合には撥水性(hydrophobic)、他の液体については撥液性(lyophobic)として知られる。水または他の液体の細かい液滴が表面に対して非常に高い静止接触角（約１２０度を超える）を示す程度まで表面が浸潤に対する耐性を有する場合、液滴を保持する表面の傾向が著しく低い場合、あるいは、液体に完全に浸漬された時に、液体−気体−固体界面が表面に存在する場合に、表面は「超撥水性」または「超撥液性」表面と呼ばれる。本出願では、超撥水性および超撥液性の表面を指すのに一般的に超撥水性の語が用いられる。

従来の表面と対照的に、超撥水性表面では、液体と表面との間の摩擦が著しく低い。その結果、特に、マイクロ流体の用途では、表面抵抗力による流体の流れに対する抵抗を軽減するには超撥水性表面が極めて望ましい。

表面の粗さが表面浸潤の程度に重大な作用を有することは、現在ではよく知られている。ある条件下では、粗さは対応する滑らかな表面よりもいっそう強固に液体を表面に付着させることが概ね観察されている。しかし他の条件下では、粗さは滑らかな表面ほど強固に液体を粗い表面に付着させない。ある条件では、表面は超撥水性である。このような超撥水性表面は、概ね、ここでは「突出部」と呼ばれるマイクロスケールからナノスケールの多数の凸部または凹部を有する基材部材の形をとる。

概して、所定の速度で液体スラグを水平流路において移動させるための圧力（△Ｐ_{ｔｏｔａｌ}）は、粘性力、表面力および重力（ヘッド）の成分に分割され、式

で表される。

水平方向の配向を有する円筒形流路１１０が図１ａに断面で描かれている。円筒形流路１１０は流体接触表面１２０を有する流路壁１１５によって限定される。流路１１０の中には液体スラグ１００が描かれている。液体スラグ１００は、流体１３２との前方界面１３０と、流体１４２との後方界面１４０とを有する。流体１３２および流体１４２が気体または液体の形であることは理解できるだろう。水平方向の配向を有する円筒形流路１１０については、式（１）で与えられる一般的な関係が、特に、式

で表される。式中、μは液体の粘性であり、Ｌは液体スラグ１００の長さであり、ｖは液体スラグ１００が移動する速度であり、Ｒは円筒形流路１１０の断面半径であり、γは液体スラグ１００の液体の表面張力であり、θ_ｒは流路１１０の表面１２０との液体スラグ１００の後方界面１４０の真の退出接触角であり、θ_ａは流路１１０の表面１２０との液体スラグ１００の前方界面１３０の真の前進接触角である。円筒形以外の流路の流路についての先行技術では、同様の固有の式が記載されている。

微小流路１１０の表面１２０と接触する一つ以上の界面１３０，１４０を有する液体スラグ１００については、液体スラグ１００の寸法が極めて小さいために、表面力が支配的である。力の粘性成分は本質的に無視される。したがって、水平方向の微小円筒形流路１１０を通じて液体スラグ１００を移動させるための圧力（△Ｐ）は事実上、式

となる。

本発明による超撥水性流路表面を使用してこれらの表面力を最小にすることによって、流路を通じて液体スラグを移動させるための圧力の著しい低下が達成される。

本発明によるマイクロ流体装置１０が図１ｂに非常に拡大された分解図で描かれている。装置１０は、一般に、本体１１を含み、本体には矩形流路１２がその中に形成されている。本体１１は、概ね、メイン部分１３とカバー部分１４とを含む。流路１２は、メイン部分１３の内向表面１５によって三つの面が限定され、カバー部分１４の内向表面１６によって第４の面が限定される。表面１５および表面１６はともに流路壁１６ａを限定する。本発明によれば、流路壁１６ａのすべてまたは所望の部分が超撥水性流体接触表面２０を有する。図１ｂには矩形流路を有する２部品構造が描かれているが、マイクロ流体装置１０は、他の構造でも形成できるし、円筒形、多面体、不規則形状の流路が形成された一体型本体１１を含めた実質的に他のいかなる流路形状や構造でも形成できることは、当然、容易に理解できるだろう。

マイクロ流体装置の別の実施形態が、図１ｃに断面で描かれている。この実施形態では、本体２００は一つの一体的部品で形成される。円筒形流路２０２が本体２００内に限定されており、これは、流路２０２に面して超撥水性流体接触表面２０を有する流路壁２０４を有する。

本発明による超撥水性流体接触表面２０の非常に拡大された図が図１に描かれている。表面２０は、概ね、多数の突出部２４を有する基材２２を含む。本明細書でさらに説明するように、基材２２は本体１１の一部分であっても、本体１１上の独立した材料層であってもよい。さらに説明するように、突出部２４は一般的に基材２２から形成される。各突出部２４は複数の側面２６と上面２８とを有する。各突出部２４は、図では“ｘ”で示された幅寸法と、図では“ｚ”で示された高さ寸法とを有する。

図１〜３に描かれているように、突出部２４は規則的なアレイで配置され、各突出部は、図において“ｙ”と示された間隔寸法によって隣接の突出部から離間されている。突出部２４の上面エッジ３０によって定められる角度はφで示され、基材２２に対する突出部２４の側面２６に対する立上り角はωで示されている。角度φとωとの和は１８０度である。

概して、液体−固体−気体界面が表面に維持される時に、超撥水性流体接触表面２０は超撥水性を示す。図７に描かれているように、液体３２が上面２８および突出部２４の上面エッジ３０に近接する側面２６の一部分のみと接触する場合には、空気または他の気体が充填された空間３４が突出部の間に残り、必要な液体−固体−気体界面が存在する。液体は、突出部２４の上および突出部２４の上面エッジ３０の間に「懸架」されていると言える。

以下で開示されるように、液体−固体−気体界面の形成は、突出部２４のある相関的な幾何学的パラメータと、液体の性質と、液体と固体表面との相互作用とに左右される。本発明によれば、表面２０が所望の液圧で超撥水性を示すように突出部２４の幾何学的な性質が選択される。

図１〜３の長方形アレイを参照すると、表面２０は各突出部２０を囲繞する均一エリア３６、すなわち、点線を境界線として描かれたエリアに分割される。各均一エリア３６における突出部の面密度（δ）は、式

で表される。式中、ｙはメートルで測定された突出部間の間隔である。

図１〜３に描かれた正方形断面の突出部２４については、上面エッジ３０における上面２８の周の長さ（ｐ）は、

である。式中、ｘはメートルで表された突出部の幅である。

周ｐは、液体−固体−気体界面の箇所を限定する「接触線」と呼ばれる。単位面積の表面あたりの接触線の長さである表面の接触線密度（Λ）は、周（ｐ）と突出部の面密度（δ）との積であり、式

で表される。

図１〜３に描かれた方形突出部の長方形アレイについては、式

が成り立つ。

液体に作用する重力による体積力（Ｆ）が突出部の接触線に作用する表面力（ｆ）より小さい場合には、突出部２４の上に一定量の液体が懸架される。重力に関連する体積力（Ｆ）は、式

によって決定される。式中、（ｐ）は液体の密度であり、（ｇ）は重力による加速度であり、（ｈ）は液体の深さである。ゆえに、例えばおよそ１０００ｋｇ／ｍ^３の密度を有する１０メートルの水柱では、体積力（Ｆ）は、

となるだろう。

表面力（ｆ）は、液体の表面張力（γ）と、垂線θ_ｓに対する突出部２４の側面２６の見かけの接触角と、突出部の接触線密度（Λ）と、液体の見かけの接触面積（Α）とに左右される。

所定の固体材料における液体の真の前進接触角（θ_ａ，０）は、実験測定によって、本質的に突出部を持たない材料の表面における液体の最大静止接触角として定義される。真の前進接触角は、当技術で周知の技術によって容易に測定可能である。

突出部を有する表面の上の懸架滴は、突出部の側面において真の前進接触角値（θ_ａ，０）を示す。突出部の側面における垂線に対する接触角（θ_ｓ）は、以下のように、φまたはωによって真の前進接触角（θ_ａ，０）と関係付けられる。

Ｆとｆを等しくして接触線密度Λを求めることによって、表面における超撥水性を予想するための臨界接触線密度パラメータΛ_Ｌが決められる。

式中、ｇは液体の密度（ρ）であり、（ｇ）は重力による加速度であり、（ｈ）は液体の深さであり、液体の表面張力（γ）であり、ωは度で表された基材に対する突出部の側面に対する立上り角であり、（θ_ａ，０）は実験測定による度で表された突出部材料における液体の真の前進接触角である。

Λ＞Λ_Ｌの場合、液体は突出部２４の上に懸架されて超撥水性表面が形成される。逆に、Λ＜Λ_Ｌの場合には、液体は突出部から落下して、表面上の接触界面は超撥水性を有さない単なる液体／固体となる。

上に挙げた式の分子に適切な値を代入することによって、所望する量の圧力で超撥水性を保持する表面を設計するように臨界接触線密度の値が決定されることは理解できるだろう。式は以下のようにまとめられる。

式中、Ｐは表面が超撥水性を示す最高圧力であって、キログラム／平方メートルで表された値であり、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θ_ａ，０は実験測定による度で表された突出部材料における液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である。

上記の関係にしたがって形成された表面２０が、上の式（１２）で使用されたＰの値までおよびＰの値を含む液圧値において超撥水性を示すことは概ね予想されるだろう。その超撥水性は表面が浸漬されているか、液体のジェットまたはスプレーを受けているかどうか、または個々の液滴に衝突されているかどうかを示すだろう。

臨界接触線密度の値が決定されると、接触線密度についての式で与えられるｘとｙの関係にしたがって、突出部の幾何学形状の残りの詳細が決定される。言い換えると、接触線式でｘとｙのいずれかの値を選択して他の変数を求めることによって、表面の幾何学形状が決定されるのである。

液滴が非常に高い接触角で表面と当接するように液滴を撥水する超撥水表面２０の傾向は、表面上の液滴の前進および後退接触角の間の差である接触角ヒステリシス（△θ）によって最もよく表される。概して、低い値の接触角ヒステリシスは比較的高い表面の撥水性に対応する。表面の接触角ヒステリシスは、以下の式

にしたがって決定される。式中、（λｐ）は突出部における直線比であり、（△θ_０）は表面材料の真の前進接触角（θ_ａ，０）と真の後退接触角（θ_ｒ，０）との間の差であり、（ω）は突出部の立上り角である。正方形突出部の長方形アレイについては、

が成り立つ。

他の幾何学形状を有する表面について決定するための式が図１３に挙げられている。表面上の液滴については、表面の真の前進接触角は、式

にしたがって決定され、真の後退接触角は、式

にしたがって決定される。

上に挙げた関係を調べることによって、λ_ｐ，ω，ｘ／ｙ，Λの値が比較的低いと表面の撥水性が比較的改良されること、および同じパラメータの各々の値が比較的高いと柱状の液体を懸架する表面の能力が比較的改良されることが容易に理解できるだろう。その結果、良好な撥水性および懸架特徴を有する表面が望ましい場合には、一般に、これらのパラメータの値の選択において妥協点を見出すことが必要であろう。

上の式は、様々なｘ／ｙの値について突出部間隔（ｙ）と最高圧力（Ｐ）との間に見られる所定の液体の性質についての関係をプロットするのにも使用される。このようなプロットは、図１７にその一例が描かれているが、以下に挙げる例で実証されるように、有益な設計手段として役立つ。

図６に描かれているように、液体界面は隣接する突出部の間で量Ｄ_１だけ下方へ撓む。量Ｄ_１が突出部２４の高さ（ｚ）よりも大きい場合には、液体は突出部２４の間の点で基材２２と接触する。これが起こると、液体は空間３４へ引き寄せられて突出部から落下し、表面の超撥水性が損なわれる。Ｄ_１の値は臨界突出部高さ（Ｚ_ｃ）を表し、以下の式

によって決定される。式中、（ｄ）は接触線における隣接する突出部の間の最短距離であり、ωは突出部立上り角であり、θ_ａ，０は実験的に測定された突出部材料における液体の真の前進接触角である。突出部２４の高さ（ｚ）は臨界突出部高さ（Ｚ_ｃ）に少なくとも等しくなければならず、望ましくは、これより大きい。

図１〜３では、突出部立上り角ωは９０度であるが、他の突出部幾何学形状も可能である。例えば、ωは、図９に描かれているように、鋭角でもよいし、図１０に描かれているように、鈍角でもよい。概して、ωは８０度と１３０度の間であることが望ましい。

本発明の範囲内で多様な突出部形状および構成が可能であることも理解できるだろう。例えば、突出部は多面体、図１１〜１２に描かれた円筒形、曲線柱、他の適当な三次元形状でよい。さらに、突出部の接触線密度を最適化するために、様々な戦略を利用できる。図１４と１５に描かれているように、突出部２４には基部３８および頭部４０が形成されてもよい。上面エッジ３０における頭部４０の周が長くなると、表面の接触線密度が高くなる。また、上面エッジ３０での周を長くして接触線密度を高めるため、図１６に描かれているように、溝４２などの特徴が突出部２４に形成されてもよい。突出部は基材に形成された凹部とすることもできる。

突出部は、上述したような長方形アレイ、図４〜５に描かれた六角形アレイなどの多角形アレイ、または円形や卵形の構成で配置されてもよい。臨界接触線密度が維持される限り、突出部はランダムに分散されてもよいが、このようなランダム構成は超撥水性の予想可能性が低いため、あまり望ましくない。このような突出部のランダム構成では、輪郭接触線密度および他の関連パラメータは、その表面の平均値として説明される。図１３の表には、他の様々な突出部形状と構成について接触線密度を計算するための式が挙げられている。

概して、基材材料は、マイクロまたはナノスケールの突出部が適当に形成される材料でよい。突出部は、フォトリソグラフィまたは様々な適当な方法のいずれかによって、基材材料そのものに直接形成されるか、基材材料に配置された一層以上の他の材料に形成される。平行な隆起部の形の突出部を形成するには、直接押出し加工が使用される。このような平行隆起部は流体の流方向に対して横方向に配向されることが最も望ましい。マイクロ／ナノスケールの突出部を形成するのに適したフォトリソグラフィ法は、ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ ０２／０８４３４０号に開示されている。これは、本明細書においてその全体が文献援用されている。

所望の形状および間隔の突出部を形成するのに適した他の方法は、米国特許出願公開第２００２／００３３４８７９号に開示されたナノ機械加工、米国特許第５，７２５，７８８号に開示されたマイクロ打抜き加工、米国特許第５，９００，１６０号に開示されたマイクロ密着焼付け法、米国特許第５，６０９，９０７号に開示された自己組織化金属コロイド単分子層、米国特許第６，４４４，２５４号に開示されたマイクロ打抜き加工、米国特許第５，２５２，８３５号に開示された原子間力顕微鏡ナノ機械加工、米国特許第６，４０３，３８８号に開示されたナノ機械加工、米国特許第６，５３０，５５４号に開示されたゾル−ゲル成形、米国特許第６，５１８，１６８号に開示された自己組織化単分子層方向性パターンニング、米国特許第６，５４１，３８９号に開示された化学エッチング、米国公開特許出願第２００３／００４７８２２号に開示されたゾル−ゲル打抜き加工を含む。これらはすべてその全体が本願において文献援用されている。所望の突出部形状を形成するのに、カーボンナノチューブ構造も使用可能である。カーボンナノチューブ構造の例は、米国特許出願公開第２００２／００９８１３５号および第２００２／０１３６６８３号に開示されている。これらもその全体が本願において文献援用されている。また、適当な突出部構造はコロイドインクによる周知の焼付け法を用いて形成することができる。言うまでもなく、マイクロ／ナノスケールの突出部が正確に形成される他の方法も使用されることは理解できるだろう。

概して、液体スラグの流路表面との接触を最小にするために、超撥水性流路表面の撥水性を最適化し、それによって、表面力も最小にするすることが最も望ましい。すでに説明したように、比較的低い値のλ_ｐ，ω，ｘ／ｙ，Λを選択しながら、表面が流路で発生すると予想される最高圧力で確実に超撥水性を有するように、表面が充分な臨界接触線密度値（Λ_Ｌ）を有することを保証することによって、表面の撥水性が最適化される。最高の流路性能のためには、突出部幾何学形状のｘ／ｙ比は約０．１未満であり、最も好ましくは、約０．０１であるべきである。

撥水性のために微小流路を最適化する方法が以下の実施例によって示される。

実施例１：
マイクロ流体装置を製造するために、円筒形の微小流路がシリコン本体に形成される。超撥水性表面は本発明による微小流路の内向壁に設けられる。超撥水性表面は流路の壁に配置された角柱（ω＝９０°）のアレイで構成される。また、流路壁は流路が以下の寸法および特徴を有するようにオルガノシランで被覆される。

流路の水スラグは以下の寸法および特徴を有する。

流路が滑らかな流体接触表面を有していて、スラグの真の前進および後退接触角（θ_ａ，θ_ｒ）が流体接触表面材料の真の前進および後退接触角とほぼ等しくなっている場合には、滑らかな流路を通じて液体スラグを移動させるのに必要な圧力は、以下のように計算される。

流体接触表面の撥水性は、流体接触表面における水の真の前進および後退接触角を大きくするように、小さなｘ／ｙ比を選択することによって最適化される。

が選択され、そのため、

となり、また、

となる。

超撥水性流体接触表面を有する流路を通じて液体スラグを移動させるための圧力は、

となる。

次に、上に挙げられた関係を用いて、表面の残りの幾何学的詳細が以下のようにして決定される。

図１７を参照すると、これは、液体として水を用い、θ_ａ，０およびθ_ｒ，０の値がオルガノシランで被覆されたシリコン材料と一致した状態において、様々なｘ／ｙの値について突出部間隔（ｙ）と最大圧力（Ｐ）の間の関係を示すプロットであるが、ｙは、最高圧力が１００Ｐａで、ｘ／ｙ比が０．０１の場合に、約１×１０^−５ｍまたは１０μｍであるべきであることが決定される。したがって、

である。

次に、Ｚ_ｃを求める。

したがって、正方形突出部が流路の流体接触表面に長方形アレイで設けられる場合には、それらは約１００ｎｍの断面寸法を有するべきであり、約１０μｍ離間しているべきであり、少なくとも０．９μｍの高さであるべきである。

実施例２：
以下の寸法および特徴を有するＰＦＡプラスチックの円筒形微小流路を仮定する。

また、流路内の水スラグを仮定する。

同様に、流路が滑らかな流体接触表面を有していて、スラグの真の前進および後退接触角（θ_ａ，θ_ｒ）が流体接触表面材料の真の前進および後退接触角とほぼ等しくなっている場合には、滑らかな流路を通じて液体スラグを移動させるのに必要な圧力は、以下のように計算される。

角柱（ω＝９０°）のアレイは、超撥水性表面を形成するように、流路の流体接触表面上に配置される。

が選択され、そのため、

となり、また、

となる。

超撥水性流体接触表面を有する流路を通じて液体スラグを移動させるための圧力は、

となる。

次に、上に挙げられた関係を用いて、表面の残りの幾何学的詳細が以下のようにして決定される。

図１７を参照すると、これは、液体として水を用い、θ_ａ，０およびθ_ｒ，０の値がＰＦＡ材料と一致した状態において、様々なｘ／ｙの値について突出部間隔（ｙ）と最高圧力（Ｐ）の間の関係を示すプロットであるが、ｙは、最高圧力が１００Ｐａで、ｘ／ｙ比が０．０１の場合に、約１×１０^−５ｍまたは１０μｍであるべきであることが決定される。したがって、

である。

次に、Ｚ_ｃを求める。

したがって、方形突出部が流路の流体接触表面に長方形アレイで設けられる場合には、約１μｍの断面寸法を有するべきであり、約１０μｍ離間しているべきであり、少なくとも０．８μｍの高さであるべきである。

上に開示された方法は、所望の液体および流路表面材料について、微小流路の超撥水性流体接触表面における最適の突出部間隔および幾何学形状を決定するのに使用できることは、当業者には容易に理解できるだろう。

本発明のさらなる目的、長所、新規の特徴は、一部は以下の説明に記載されているが、一部は以下の記載を検証することによって当業者には明らかとなるであろうし、また、本発明の実施によって理解されるだろう。本発明の目的および長所は、添付の特許請求の範囲で特定された手段および組合せによって認識および実現されるだろう。

本発明による超撥水性表面の拡大斜視図である。 流路の液体スラグの概略図である。 本発明によるマイクロ流体装置の分解図である。 本発明によるマイクロ流体装置の別の実施形態の断面図である。 図１の表面の一部分を示す上面図である。 図２に描かれた表面部分を示す側面図である。 突出部が六角形アレイで配列されているような本発明による超撥水性表面の別の実施形態を示す部分的上面図である。 図４の別の実施形態の側面図である。 突出部間に懸架された液体の撓みを示す側面図である。 突出部の上に懸架された所定量の液体を示す側面図である。 突出部間の空間の底面と接触する液体を示す側面図である。 突出部立上り角が鋭角であるような本発明による超撥水性表面の別の実施形態の単一突出部の側面図である。 突出部立上り角が鈍角であるような本発明による超撥水性表面の別の実施形態の単一突出部の側面図である。 突出部が円筒形であり、長方形アレイで配列された本発明による超撥水性表面の別の実施形態の部分上面図である。 図１１の別の実施形態の側面図である。 多様な突出部形状および構成について接触線密度および直線比の式を挙げた表である。 本発明による超撥水性表面の別の実施形態の側面図である。 図１４の別の実施形態の上面図である。 本発明による超撥水性表面の別の実施形態の単一突出部の上面図である。 特定の超撥水性表面および液体について、多様なｘ／ｙ比の値に対する突出部間隔（ｙ）と最高圧力（Ｐ）との間の関係を示すグラフである。

Claims (26)

1. マイクロ流体装置であって、
   少なくとも一つの微小流体流路を内部に有する本体を有し、微小流体流路は流体接触表面部分を有する流路壁によって限定され、前記流体接触表面部分はほぼ均一な形状および寸法の多数の突出部を有する基材を含み、前記突出部はほぼ均一なパターンで配列され、各突出部は共通の断面寸法を有するとともに基材に対する突出部立上り角を有し、突出部はほぼ均一な間隔寸法によって離間され、また、突出部は、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が、式
   

   

   
   にしたがって決定される臨界接触線密度値“Λ_L”と等しいかそれよりも大きくなるように、さらには、突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法の比が０．１以下であるように配置され、式中、Ｐは流体流路内における所定の最高予想流体圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θ_ａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角であるようなマイクロ流体装置。
2. 突出部が凸部である請求項１の装置。
3. 突出部が多面体の形状である請求項２の装置。
4. 各突出部がほぼ正方形の断面を有する請求項２の装置。
5. 突出部が円筒形または曲線柱の形状である請求項２の装置。
6. 突出部が基材に形成された凹部である請求項１の装置。
7. 突出部が平行隆起部である請求項１の装置。
8. 並行隆起部が流体流方向に対して横方向に配置される請求項７の装置。
9. 突出部が基材部分に対してほぼ均一な突出部高さを有し、突出部高さが、式
   

   

   
   によって決定されるメートルで表された臨界突出部高さ値“Ｚ_ｃ”よりも大きく、式中、ｄは隣接する突出部の間のメートルで表された最短距離であり、θ_ａ，０は実験てきに測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である請求項１の装置。
10. マイクロ流体装置の製造プロセスであって、
    流体接触表面部分を有する流路壁によって限定された少なくとも一つの微小流体流路を本体に形成する段階と、
    ほぼ均一な形状の多数の突出部を流体接触表面部分にほぼ均一なパターンで配置する段階と、
    を有し、各突出部が断面寸法と、流体接触表面に対する突出部立上り角とを有し、突出部は、ほぼ均一な間隔寸法によって離間しており、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が、式
    

    

    
    にしたがって決定される臨界接触線密度値“Λ_L”と等しいかそれよりも大きくなるように位置決めされるとともに、突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法の比が０．１以下となるように位置決めされ、式中、Ｐは流体流路における所定の最高予想流体圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θ_ａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角である製造プロセス。
11. 突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法との比が０．０１以下である請求項１０のプロセス。
12. 突出部が、ナノ機械加工、マイクロ打抜き加工、マイクロ密着焼付け法、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノ機械加工、ゾル−ゲル成形、自己組織化単分子層方向性パターンニング、化学エッチング、ゾル−ゲル打抜き加工、コロイドインクによる焼付け、および平行なカーボンナノチューブの層を基材に配置することから成るグループから選択されるプロセスによって突出部が形成される請求項１０のプロセス。
13. 突出部が押出しによって形成される請求項１０のプロセス。
14. 突出部について幾何学形状を選択する段階をさらに有する請求項１０のプロセス。
15. 突出部についてアレイパターンを選択する段階をさらに有する請求項１０のプロセス。
16. 突出部について少なくとも一つの寸法を選択する段階と、接触線密度についての式を用いて突出部について少なくとも一つの他の寸法を決定する段階とをさらに有する請求項１０のプロセス。
17. 式
    

    

    
    にしたがってメートルで表された臨界突出部高さ値“Ｚ_ｃ”を決定する段階をさらに有し、式中、ｄはメートルで表された隣接する突出部の間の最短距離であり、θ_ａ，０は表面における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である請求項１０のプロセス。
18. 少なくとも一つのマイクロ流体装置を含むマイクロ流体流システムであって、装置が、
    少なくとも一つのマイクロ流体流路を内部に有する本体を有し、流体流路は流体接触表面部分を有する流路壁によって限定され、前記流体接触表面部分はほぼ均一な形状および寸法の多数の突出部を有する基材を含み、前記突出部はほぼ均一なパターンで配列され、各突出部は共通の断面寸法を有するとともに基材に対する突出部立上り角を有し、突出部はほぼ均一な間隔寸法によって離間され、また、突出部は、流体接触表面部分が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が、式
    

    

    
    にしたがって決定される臨界接触線密度値“Λ_L”と等しいかそれよりも大きくなるように、さらには、突出部の断面寸法と突出部の間隔寸法の比が０．１以下であるように配置され、式中、Ｐは流体流路内における所定の最高予想流体圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θ_ａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角であるようなマイクロ流体流システム。
19. 突出部が凸部である請求項１８のシステム。
20. 突出部が多面体の形状である請求項１９のシステム。
21. 各突出部がほぼ正方形の断面を有する請求項１９のシステム。
22. 突出部が円筒形または曲線柱の形状である請求項１９のシステム。
23. 突出部が基材に形成された凹部である請求項１８の装置。
24. 突出部が平行隆起部である請求項１８の装置。
25. 平行隆起部が流体の流方向に対して横方向に配置される請求項２４の装置。
26. 突出部が基材部分に対してほぼ均一な突出部高さを有し、突出部高さが、式
    

    

    
    によって決定されるメートルで表された臨界突出部高さ値“Ｚ_ｃ”よりも大きく、式中、ｄは隣接する突出部の間のメートルで表された最短距離であり、θ_ａ，０は実験てきに測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である請求項１８の装置。
    

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