JP2015027639A - 分極性接続構造体及びそれを有する装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】微小な分極性構造体のミクロな運動を機能化する装置を提供すること。【解決手段】表面に電気的に分極可能な導電性部位を持つ複数の分極性構造体と、複数の該分極性構造体を接続する可動性または可変形性の接続体とからなる構造体。【選択図】図１
Description
本発明は、混合装置、微粒子安定化装置、微粒子除去分離装置、人工筋肉等に応用される分極性接続構造体およびそれを有する装置に係るものである。
界面の性質、特に、電気浸透を用いるマイクロポンプは、構造が比較的簡単であり、微小流路（マイクロ流路）内への実装が容易、等の理由でμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ‐Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）等の分野で使用されている。
こうした中、近年、誘起電荷電気浸透（ＩＣＥＯ：Ｉｎｄｕｃｅｄ‐Ｃｈａｒｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｓｍｏｓｉｓ）を用いたマイクロポンプが、液体の流速を大きくできる、ＡＣ駆動が可能なことにより電極と液体の間に生ずる化学反応を抑制できる等の理由から着目されている。
特に、特許文献１及び非特許文献１は、誘起電荷電気浸透を用いたミキサ（混合装置）及びポンプ（送液装置）であって、円柱金属ポストのまわりのＩＣＥＯ流れによる渦を利用したマイクロミキサ、及び、ＩＣＥＯ流れを利用したマイクロポンプを開示している。
また、非特許文献２では、誘起電荷電気泳動（ＩＣＥＰ： Ｉｎｄｕｃｅｄ−Ｃｈａｒｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）を利用したマイクロロッドの回転が報告されている。また、非特許文献３は、金属粒子の半分に絶縁体コートを施した粒子の電気泳動現象を開示している。
また、非特許文献４では、電解液中の金属粒子の集団に電界を印加するとある閾値以上の粒子濃度で顕著な柱状構造を発生させることができることを開示している。
M.Z.Bazant and T.M.Squires,Phys.Rev.Lett.92,066101(2004)
K. A. Rose et al., Phys. Rev. E 75, 011503 (2007)
S. Gangwal, O. J. Cayre, M. Z. Bazant, and O. D. Velev, Phys. Rev. Lett. 100, 058302 (2008)
H. Sugioka, Phys. Rev. E 80, 016315 (2009)
特許文献１及び非特許文献１−３は、微小な分極性構造体単体の運動について検討しているが、ひとつの分極性構造体が単体で発揮できる機能には限りがある。一方で、分極性構造体を集団的に運動させることができれば、より大きい規模で機能を発揮できるようになる。
本発明は、従来困難だった、所望の設計目的に合わせて、微小な分極性構造体のミクロな運動を集団運動に変換し、より大きい規模で機能を発現させる装置を提供することを目的とする。
本発明により提供される構造体は、表面に電気的に分極可能な導電性部位を持つ複数の分極性構造体と、複数の該分極性構造体と接続する可動性または可変形性の接続体とからなることを特徴とする。
本発明により提供される装置は、前記構造体と、前記構造体及び電解質溶液を収容する液室と、電界印加手段とを備えていることを特徴とする。
本発明の構造体を含む電解質溶液内に電界を印加すると、複数の分極性構造体の表面に電気二重層に由来する電気浸透流が発生し、分極性構造体間に特異的な流体力学的相互作用が発生する。そのため、接続体で接続された分極性構造体の集団に集団としての特異な運動を発生させ微小な分極性構造体のミクロな運動を集団運動に変換し、より大きい規模で機能を発現させることができる。
本発明の分極性接続構造体は、表面に分極可能な導電性部位をもつ複数の分極性構造体が、可動性または可変形性の接続体によって接続された構造を有する。
分極性構造体は、その表面に電気的に分極可能な導電性部位をもち、電解質溶液内で電界を印加したときにその周囲に電気浸透流を発生し、電気浸透流により電解質溶液内を移動することが可能であれば、その材料、形状、サイズや重量等は特に限定されない。
分極可能な部位を持つ分極性構造体としては、金、白金、炭素等の導電体や、導電体微粒子とスチレン、ポリイミド、ポリビニールアルコール、ポリエチレン等の誘電体とからなる複合材料粒子や、誘電体表面の一部あるいは全面を金、白金、炭素等で表面コートした粒子などを用いることができる。
分極性構造体の形状は、球形、楕円球形、楕円柱形または直方体系など、様々な形状から選択することができる。分極性構造体が球形のときは、半径が０．０１μｍ以上１０００μｍ以下であってもよく、楕円球形または楕円柱形であるときは、短径が０．０１μｍ以上１００μｍ以下、長径と短径の長さの比が１：１より大きく１０００：１以下であってもよい。なお、球形、楕円球形、楕円柱形等と記載した場合、その形状は、正確に球形、楕円球形、楕円柱形である必要はなく、多少の誤差をも許容する。
可動性または可変形性の接続体は、分極性構造体同士、または分極性構造体と他の物質とを接続することができれば、材料、形状、サイズや重量等は特に限定されない。本発明の接続体は可動性または可変形性の性質を有するため、後述する分極性構造体同士の反発力及び吸引力により、分極性構造体間に複雑なまたは所定の伸縮振動が誘起される。
接続体としては、ナイロンやテフロン（登録商標）などの弾性を有する線状または帯状の絶縁性繊維樹脂や、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、シリコンゴム等のシリコン系樹脂を用いることができる。接続体は、直線状の構造にしてもよいし、湾曲した構造にしてもよい。
分極性構造体と接続体との間の接着方法は、特に限定されることはない。例えば、分極性構造体が金や白金等の貴金属で、接続体がポリエチレンや、ポリスチレン、塩化ビニール等の熱可塑性樹脂からなるときは、熱溶融によって接着することできるし、分極性構造体がMicro-Electro-Mechanical-System (ＭＥＭＳ)やNano-Electro-Mechanical-System (ＮＥＭＳ)技術等の微細加工技術で加工された孔構造を有する金や白金等の有孔構造体で、接続体が同じくＭＥＭＳやＮＥＭＳ技術で作成されたＳＵ−８等のエポキシ樹脂を用いた前記有孔構造体と適合する３次元ピン構造体からなるときは、３次元ピン構造体を用いたピン止めによって接続することができる。
分極性接続構造体あたりの分極性構造体の数には特に限定はない。２個の分極性構造体を接続して分極性接続構造体としてもよいし、３個以上の分極性構造体が接続されていてもよい。例えば２〜５０個、２〜１５個、２〜１０個、２〜５個、３〜５個の分極性構造体を接続して分極性接続構造体としてもよいし、５０個以上の分極性構造体を接続してもよい。
本発明の分極性接続構造体を電解質溶液内に遊動させた状態で、電解質溶液に電界を印加すると、分極性構造体の導電性部位表面には電気二重層が形成され、該電気二重層を形成するイオンはその符号により電界の方向または逆方向に略沿う方向への電気浸透流が発生する。分極性構造体が電界方向Ｅと垂直に繋がっている場合には、図２（ａ）に示すように、分極性構造体間ですべり速度１１ａが向き合うようになるため、分極性構造体同士には反発力１２ａが働く。また、分極性構造体が電界方向６と平行に繋がっている場合には、図２（ｂ）に示すように、分極性構造体間ですべり速度１１ｂが背中合わせとなるため、分極性構造体同士には吸引力１２ｂが働く。また、印加電界の方向を逆転させた場合にも、導電性部位の表面には逆符号のイオンが集積し電気二重層を形成するために、図２（ａ）の配置にある分極性構造体間にはやはり反発力が働き、図２（ｂ）の配置にある分極性構造体間には吸引力が働く。
この電界は、交流（ＡＣ）電源及び直流（ＤＣ）電源のいずれを用いて印加してもよく、装置の目的及び所望の分極性接続構造体の運動によって適宜選択することができる。ＡＣ電源を用いると、電解質の化学反応というＤＣ電界に特有の問題が発生しないほか、印加電極付近に電気二重層が形成されて電圧降下が起きる現象を抑制できる効果がある。また、直流電圧またはＡＣ電圧をスイッチ５を用いて断続的にオン・オフさせることにより、電圧の継続印加によって系が新たな定常状態となって分極性構造体の動きが鈍くなる現象を抑制でき、より複雑な動きを発生させることができるなど、分極性接続構造体の動きの種類を増やすことができる。
本発明の分極性接続構造体は、さらに所望の機能を発揮する機能性基体を有していてもよい。本発明では、機能性基体を、分極性接続構造体と共に液体内を移動させることができるため、その見かけの拡散係数が大きくなり、その機能を広い範囲で効果的に発揮することができる。機能性基体とは、それが接続される分極性構造体とは大きさ、形状、または材質のうち少なくとも１つが異なる基体であり、その有する機械的、化学的、電気的な性質により標的との間で何らかの作用を実現する物質を意味する。
例えば、疎水性の表面パターンを有する機能性基体を分極性接続構造体と共に疎水性微粒子を含む電解質溶液内で遊動させると、疎水性微粒子の周囲にミセル状の構造を形成し、疎水性微粒子を効率よく安定化させることができる。また、標的物質を特異的に認識し結合する機能を有する機能性基体を分極性接続構造体と共に電解質溶液内で遊動させると、標的物質をより効率的に捕捉することができる。ただし、機能性基体の機能は、これらに限定されることはなく、装置の目的によって任意に設定することができる。なお、標的物質を特異的に認識し、結合する機能としては、標的物質の形状と相補的な表面形状を有するもの、相補的な共有結合または非共有結合のパターンによるもの（抗原抗体反応など）や、カプセル化された薬物または標的物質が有する官能基と反応する官能基との結合によるものなどであってもよく、特に限定されることはない。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、分極性接続構造体の例示的な実施形態を示す図である。
図３（ａ）及び（ｂ）の例では、接続体１３ｃは湾曲した線状の弾性構造体であり、分極性構造体は絶縁性の表面１３ａと、導電性の表面１３ｂとを有している。例えば、表面の半分を真空蒸着などにより金薄膜でコートして導電性の表面１３ｂとしてもよい。金属膜によるコートは、製造の容易さを考慮してパターン化した形状にしてもよいし、分極性接続構造体をよりランダムに動かすために、ランダムな向きにコートしてもよい。
このとき、分極性構造体には導電性表面１３ｂとは逆方向への運動が起こる。そのため、電解質溶液内で分極性接続構造体が自由に泳動できる状態で電界を印加すると、それぞれの分極性構造体には、導電性表面１３ｂの向きに従ってそれぞれ異なった方向への動きが生じる。そのため、分極性接続構造体は電解質溶液内で特異的に動くことが可能となる。特に、図３（ａ）に示すように、導電性パターンが異なる方向を向くように分極性構造体を配置すると、よりランダムな集団運動を励起することができる。一方で、図３（ｂ）に示すように、導電性パターンが常に同じ方向を向くように分極性構造体を配置すると、分極性接続構造体全体として一方向への動きを励起することもできる。
図３（ｃ）の例では、楕円柱型の分極性構造体１４ａ及び１４ｂを、湾曲した線状の可変形性接続体１４ｃで、分極性構造体１４ａ及び１４ｂの長軸の向いている方向がそれぞれ異なるように接続されている。分極性の楕円柱または楕円球を用いると、周囲に発生する誘起電荷電気浸透流によって、その長軸方向が印加電界に平行になるような力を発生させるトルクが発生する。そのため、分極性楕円柱を長軸の向いている方向が互いに異なるように接続体１４ｃで接続することにより、分極性接続構造体を複雑に動かすことができる。
図３（ｄ）の例では、楕円柱型の分極性構造体１５ａが、軸回転部１５ｄを備えた接続体１５ｃに接続されている。この分極性接続構造体は、全体として、電界方向に大きく伸びる傾向を持ち、電界と垂直な方向には大きく縮む傾向がある。具体的には、導体の楕円柱の長軸半径をｂ、短軸半径をｃ、α＝ｂ／ｃ、電界ベクトルＥと長軸の成す角をφとするとき、楕円柱は誘起電荷電気浸透流の発生により、Ω＝（εＥ２／μ）（（α２−１）／（α２＋１））ｓｉｎ２φとなる角速度Ωで回転しようとする。なお、εは電解質溶液の誘電率、μは電解質溶液の粘性係数をそれぞれ表す。例えば、水中では、μ＝１ｍＰａ・ｓ、ε＝８０ε０（ε０は真空の誘電率）、｜Ｅ｜＝２０ｋＶ／ｍ、φ＝４５度、α＝４のとき、Ω＝２５０ｒａｄ／ｓで回転しようとする。また、｜Ｅ｜＝１０ｋＶ／ｍのとき、６２．５ｒａｄ／ｓで回転しようとする。
本発明の装置は、電解質溶液と、分極性接続構造体と、電解質溶液及び分極性接続構造体を収容する液室と、電解質溶液に電界を印加する電界印加手段とを備えた装置である。
この電界印加手段により前記複数の分極性接続構造体及び電解質溶液に電界を印加することにより、複数の分極性接続構造体の表面に電気二重層に由来する電気浸透流を発生させ、接続体で接続された分極性構造体の間に流体力学的相互作用を発生させることにより、分極性構造体の集団に集団としての複雑な運動を発生させ、所望の設計目的に合わせて、微小な分極性構造体のミクロな運動を集団運動に変換しより大きい規模で機能を発現させることができる。この複雑な運動とは、装置の目的にあわせて、完全にランダムな運動、一定方向への運動又はその中間のランダムさを有する運動から任意に選択することができ、ランダムさの度合いも適宜設定して、所望の運動を引き起こすように装置を設計することができる。
例えば、分極性構造体の平均半径ｒ（粒子体積をｖとすると、４πｒ３／３＝ｖから逆算して求めることができる）を５μｍ以下とすると、分極性構造体はブラウン運動を行うため、さらにランダムさの増した運動をさせることができる。分極性接続構造体が前記の機能性基体を有しているときは、機能性基体のサイズも５μｍ以下にしてもよい。
より詳しくは、例えば、電解液が水であり、電極間隔Ｗは１００μｍ、分極性構造体であるところ球状微粒子の半径ｒは３μｍ、電界オフ状態での微粒子間のギャップは３μｍ、ＡＣ電圧Ｖ０は２Ｖ、周波数は１００Ｈｚである時、ＡＣ電圧の印加によりＥ０＝Ｖ０／Ｗ＝２０ｋＶ／ｍのＡＣ電界が発生し、粒子のまわりには、Ｕ０＝εｗｒＥ０ ２／μ＝０．８５ｍｍ／ｓ程度の流れが発生し、分極性構造体は互いに流体力学的相互作用を引き起こす。ただし、μ＝１ｍＰａ・ｓは水の粘性係数であり、εｗは水の誘電率８０ε０であり、ε０は真空の誘電率である。また、微粒子の無電解メッキの進行を制御することで、微粒子の平均密度を電解液の平均密度と略等しくすると、集団運動の設計を比較的容易にできる。
本発明は、小さいサイズの装置でも集団運動による機能を発揮できる。そのため、本発明の液室の大きさは特に限定されないが、μｍオーダーのサイズを有する液室であってもよい。具体的には、電極間の距離が１ｍｍ未満、より具体的には１μｍ以上１０００μｍ以下、さらには５００μｍ〜１０μｍであってもよい。
電解質溶液の種類は特に限定されないが、純水や、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液等を用いることができる。ここで、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液でのイオン濃度は、イオン濃度の増加により発生する電気浸透流の流速が抑制される現象があるために１０ｍＭ以下、望ましくは１ｍＭ以下とすることが望ましい。
印加する電圧の大きさは、分極性の表面の材質、分極性構造体のサイズや重さ等により適当に選択することができるが、例えば０．１Ｖ〜１００Ｖ、０．５Ｖ〜５０Ｖ、１Ｖ〜１０Ｖ、１Ｖ〜５Ｖ、１Ｖ〜３Ｖの範囲とすることができる。
このとき、電気浸透流のすべり速度Ｕ０は、分極性構造体のサイズや重さ等にもよるが、０．１ｍｍ／ｓ〜２ｍｍ／ｓとすることができる。
電気浸透流は、小さい電圧で大きな流れを引き起こすことが可能である。そのため、本発明によれば、小さい電圧で大きなエネルギーの特異的な又はランダムな集団運動を引き起こすことができる。
そのため、本発明の装置は、混合装置、微粒子安定化装置、微粒子除去分離装置、人工筋肉等に幅広く応用することが可能である。
以下、具体的な数値検討に基づく実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
図１は、実施例１に係る装置を示す図である。本実施例の装置は、電解液７ａで満たされた液室７ｂ、電界印加手段としての平行電極対３ａ及び３ｂ、並びに交流（ＡＣ）電源４を有する。電解液７ａの中では、分極可能な導電性部位を有する複数の分極性構造体１ａ及び１ｂ並びに分極性構造体１ａ及び１ｂを接続する可動性または可変形性の接続体２からなる、分極性接続構造体８００ａ並びに８００ｂが自由に遊動している。本実施例の装置は、電源印加スイッチ５並びに液体を液室に供給または排出する流路９ａ及び９ｂを有してもよい。本実施例の装置によって２種類の液体を混合するような場合には、２つの流路９ａ及び９ｂから、それぞれ異なる種類の液体を供給することができる。分極性接続構造体は、各分極性構造体自体が持つブラウン運動と電界印加によって発生する誘起電荷電気浸透流による運動により、電解液７ａの中を自由に遊動し、分極性構造体の繋がる方向が電界の方向６と略垂直な状態８ａや、分極性構造体の繋がる方向が電界の方向６と略平行な状態８ｂ等の特異な方位を含む様々な方位を持つ。
本実施例では、分極性構造体１ａ及び１ｂとしては、スチレンなどの球状または楕円球状の浮遊性樹脂基体に金の無電解メッキを施し、表面のみに導電性を持たせたものを用いる。接続体２としては、ナイロンやテフロン（登録商標）などの弾性を有する湾曲した線状の絶縁性繊維樹脂を用いている。
分極性接続構造体８ａ及び８ｂは、半径３μｍの球状または長軸４μｍ×短軸２μｍの楕円球状の分極性構造体１ａ及び１ｂを、９μｍの接続体で、熱溶融またはピン止めで接続したものとし、１つの分極性接続構造体あたり、３個または４個の分極性構造体を接続すると仮定した。電解質溶液としては水を用い、１００μｍ×２００μｍ×５００μｍの液室７ｂに、分極性接続構造体を１〜２０個遊動させ、分極性構造体１ａ及び１ｂの周囲に０．８５ｍｍ／ｓの電気浸透流が生じるように２ＶのＡＣ電圧（１００Ｈｚ）を印加した。分極性接続構造体８ａ及び８ｂは液室内でランダムな運動をし、その見かけの拡散係数も大きくできる。そのため、液室内の液体を効率よく混合することが確認できる。
例えば、図１に示すように、液室７ｂに流路９ａ及び９ｂから電解液を含む複数の液体を導入するとき、電界を印加しなければ、レイノルズ数が低いマイクロ流路内では、これらの液体は分子拡散以外の原因で混ざり合うことはない。しかし、電圧印加手段３ａ及び３ｂによって電界を発生させ、複数の分極性構造体１ａ及び１ｂを可変形性の接続体２で繋いだ分極性接続構造体のランダムな運動を誘起すれば、液室内の混合を促進することができる。本実施例では、分極性構造体はブラウン運動を行うため、さらに混合の効果を増大させることができる。また、スイッチ５でＡＣ電界を断続的に印加すれば、定常状態となることを避けられるので、ランダムな運動を持続させることができ、混合性能を増大できる。
このとき、図１の装置において、図３（ａ）や図３（ｃ）の接続構造を有する分極性接続構造体を用いると、電界方向６に対して、非常に多様でランダムな分極性接続構造体の集団運動が起きるため、混合性能を向上することができる。また、図３（ａ）に示すように、導電性パターンの向きが分極性構造体間で互いに異なる向きになるように分極性構造体を配置することで、よりランダムな集団運動を励起できる。これにより、混合性能を向上することができる。
また、図１の装置に対して、図３（ｄ）の接続構造を有する分極性接続構造体を用いると、それぞれの分極性接続構造体に、電界方向６に対して、大きな伸縮運動を起こすことができる。これにより、混合性能を向上することもできる。
また、ブラウン運動による換算粒子半径ｒの粒子の拡散係数はアインシュタイン・ストークスの関係式によりＤ＝ｋＴ／（６πｒμ）と表せるので、粒子半径ｒを小さくするほど、ブラウン運動の影響を大きくできる。ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、μは粒子の周りの流体の粘性係数であり、換算粒子半径ｒは体積Ｖの粒子に対してＶ＝（４πｒ３）／３から導くことができる。具体的には、水の中の分極性構造体粒子の場合、粘性μ＝１ｍＰａ・ｓであり、半径ｒ＝３、０．３、０．０３μｍの時、拡散係数はそれぞれＤ＝７．３３ｘ１０−１４、７．３３ｘ１０−１３、７．３３ｘ１０−１２ｍ２／ｓとなり、１秒間の拡散距離（Ｄｔ）−０．５はそれぞれ、０．２７、０．８５、２．７μｍとなる。
また、このとき、Ｅ０＝２０ｋＶ／ｍの電界印加によって、Ｕ０＝εｗｒＥ０ ２／μ＝０．８５、０．０８５、０．００８５ｍｍ／ｓ程度の流れが分極性構造体のまわりに発生し、分極性構造体間に流体的相互作用を引き起こす。すなわち、実施例１は換算粒子半径５μｍ以下の分極性構造体粒子を分極性構造体間の相対位置を変化できる可変形性接続体で鎖状に接続した連結構造体を混合しようとする複数の流体を含む液室に配置し、電界の印加により、ブラウン運動と誘起電荷電気浸透に由来する運動が複雑に絡みあった運動を誘起させ、効果的な混合を行うことのできる混合装置である。
図４は、実施例２に係る装置を示す図である。実施例２の装置は、機能性基体２１ａが接続体２２ｂにより実施例１と同様の分極性構造体２２ａに接続されていることを除いて、実施例１と同様の構成を有する。実施例１で説明したような分極性接続構造体に、機能性基体２１ａを付加すると、機能性基体２１ａも液室内を複雑に移動し、広く拡散するため、機能性基体２１ａの機能を、液室７ｂ内の広い範囲に渡って効果的に発揮できるようになる。
本実施例では、表面に疎水性の部位を持たせた半径が５μｍの球状の機能性基体２１ａを接続した分極性接続構造体を用いる。分極性構造体２２ａとしては半径が３μｍの球状のものを用い、１つの分極性接続構造体あたり３つの分極性構造体２２ａを接続する。なお、表面に疎水性の部位を持たせた機能性基体２１ａとしては、表面がすべて疎水性の性質を有する基体でもよいし、基体表面の一部に他の物質を付与して疎水性の性質を持たせてもよい。本実施例の機能性基体２１ａは、疎水性の性質を有するため、分極性接続構造体と共に液室内を遊動し、疎水性微粒子２３に遭遇した時に、その表面に付着しやすいという機能を有する。本実施例では、さらに、さらに、分極性構造体２２ａ及び２２ｂとして表面が親水性のものを用いた。そのほかは、実施例１と同様の条件とする。
液室内に本実施例の分極性接続構造体（本実施例では９つ）を遊動させると、分極性接続構造体が複雑な運動を行い液室内を動きまわるために、疎水性微粒子２３の周囲にミセル様の構造を形成し、液室７ｂ内の広い範囲で疎水性微粒子２３を効率良く安定化することができる。なお、図４において、安定化材となる分極性接続構造体を流路２４ａから液室７ｂに供給し、安定化させたい微粒子を流路２４ｂから液室に供給してもよい。
図５は、実施例３に係る装置を示す図である。実施例３の装置は、機能性基体２８に標的物質２７ａを特異的に認識する機能を持たせたことを除いて、実施例２と同様の構成を有する。機能性基体２８は、高さ１０μｍ×幅１０μｍ×奥行き５μｍの直方体の形状とし、その上部表面に高さ６μｍ×幅５μｍ×奥行き５μｍの窪みを形成し機能性基体の形状が凹型となるようにした。機能性基体２８を接続した分極性接続構造体を、液室７ｂ内に４つ遊動させると、液室７ｂ内の広い範囲で機能性基体２８の凹凸構造に適合した形状の構造体２７ａを特異的に捕獲できる。そのため、機能性基体２８と特異的に結合する標的物質２７ａと機能性基体２８とは特異的に結合しない物質２７ｂとを、効率良く分離・除去することができる。
なお、図５において、複数の流路２６ａ及び２６ｂを設けて、分離または除去材となる分極性接続構造体を流路２６ａから液室７ｂに供給し、分離または除去させたい微粒構造体を含む微粒子集合体を流路２６ｂから液室に供給してもよい。
図６は、実施例４に係る装置を示す図である。実施例４の装置は、変形可能な液室６１を持ち、この液室６１の両側の壁面６２ａ及び６２ｂと分極性構造体６３ａを有する分極性接続構造体の少なくとも一部とが接続されていることを除いて、実施例１と同様の構成を有する。変形可能な液室６１は、例えば、剛体の壁面６２ａ及び６２ｂと、可変可能な液室壁面とを含んで構成される。分極性接続構造体は接続体６３ｂによって壁面６２ａ又は６２ｂに直接接続されてもよいし、別個に設けられた接続用部材を介して間接的に接続されてもよい。このとき、分極性接続構造体の一端が壁面６２ａと接続し、他方の端が壁面６２ｂと接続することによって、両側の壁面６２ａと６２ｂとが、分極性接続構造体によって連結されるように構成することもできる。
本実施例では、表面を金属薄膜でコートした球状粒子を一対の湾曲した弾性絶縁性繊維で直線状に連結した分極性接続構造体のユニットを複数個、変形可能な液室の壁面の一部を成す剛体壁部分６２ａ及び６２ｂの双方に接続した。このとき、平行電極対３ａ及び３ｂを用いて、直線状ユニットの軸に垂直な方向に電界を印加することにより、球状粒子間に電気浸透流を発生させて、流体力学的な反発作用（図２（ａ）参照）を粒子間に起こさせることができる。このような構成とすることで、ＡＣ電圧の印加時に、６４ａ−６４ｂの方向に引っ張り応力が働き、６５ａ−６５ｂの方向に圧縮応力が働くことにより、液室６１を変形させることができる。また、ＡＣ電圧をスイッチ５でオフとすると、接続体６３ａ及び６３ｂの弾性力によって、分極性接続構造体が元の状態に戻るため、液室も元の形態に戻すことができる。
実施例４では、半径３μｍの分極性構造体６３ａを用い、１０個の分極性構造体６３ａをそれぞれ２本ずつの可変形性の接続体６３ｂで接続して、９３μｍの分極性接続構造体とした。高さ１００μｍ×幅９３μｍ×奥行き１００μｍの液室６１に、２つの分極性接続構造体を液室壁面６２ａ又は６２ｂに熱溶融により接続した。そのほかの条件は実施例１と同様にして、電圧を印加すると、誘起電荷電気浸透流の発生に由来する分極性接続構造体の強い伸縮機能を特異的に引き出すことができた。そのため、本実施例の装置は、例えばアクチュエータとして活用することができる。
図７は実施例５に係る装置を示す図である。実施例５の装置は、分極性接続構造体が楕円柱型の分極性構造体１５ａと絶縁性楕円平板１５ｂを軸回転部１５ｄを用いて、一続きの分極性構造体１５ａ−絶縁性楕円平板１５ｂ−隣の分極性構造体１５ａの組がＺ字状に並ぶように交互に連結したユニットからなることを除いて、実施例４と同様の構成を有する。分極性接続構造体は壁面６２ａ又は６２ｂに直接接続されてもよいし、図７のように、剛体の壁面６２ａ及び６２ｂに設けられた接続用部材を介して間接的に接続されてもよい。剛体の壁面６２ａ及び６２ｂには、液体が通過可能な透過壁を持つ可動シリンダー用のガイド７１を設け、ガイド７１と対を成して液体が通過可能な透過壁を持つ可動シリンダーの一部を成す平行電極対３ａ−ｂを用いてもよい。図７のジグザグ状分極ユニットの軸に略垂直な方向に電界を印加することにより、前記楕円柱型の分極性構造体のまわりに電気浸透流が発生し、楕円柱の長軸を電界印加方向に向けるような流体力学的トルクが発生する。これにより、可変可能な液室６１の壁面に、ＡＣ電圧の印加時に７２ａ−７２ｂ方向の圧縮応力と、７３ａ−７３ｂ方向の引っ張り応力を発生させることができ、ガイド付き剛体壁６１ａ及び６１ｂを７２ａ−７２ｂ方向に大きく可動することができる。また、ＡＣ電圧をスイッチ５でオフとすると、接続体６３ａ及び６３ｂの弾性力によって、分極性接続構造体が元の状態に戻り、液室６１も、その弾性力によって元の位置に戻すことができる。
実施例５では、長軸が２０μｍ、短軸が５μｍの楕円柱型の分極性構造体１５ａを用い、１１個の分極性構造体１５ａを接続体１５ｂで軸回転可能なようにピン止めにより接続して、１７０μｍの分極性接続構造体とした。１００μｍ×１７０μｍ×５００μｍの液室６１に、２つの分極性接続構造体を液室壁面６２ａ又は６２ｂに軸回転部により接続した。そのほかの条件は実施例１と同様にして、電圧を印加すると、誘起電荷電気浸透流の発生に由来する分極性接続構造体の強い伸縮機能を特異的に引き出すことができる。そのため、本実施例の装置は、例えばアクチュエータとして活用することができる。
図８は実施例６に係る装置を示す図である。実施例６の装置は、半分の面だけが金属薄膜でコートされた球状の分極性構造体１３ａを、金属コート部分（金属面）と非コート面（絶縁面）の境界の向きが電界の印加方向と略垂直になるようにそろえて配置することを除いて、実施例４の基本的構成と同様の構成を有する。分極性構造体１３ａは、弾性湾曲構造を有する絶縁性の可変形性の接続体１３ｂを用いて直線状に連結したユニットとして用いてもよい。分極性接続構造体は壁面に直接接続されてもよいし、実施例５のように、壁面に設けられた接続用部材を介して間接的に接続されてもよい。実施例６では、分極性構造体１３ａまたはそれからなるユニットを、それぞれ、剛体の壁面６２ａ又は６２ｂの片側にのみ接続する。弾性を有する変形可能な液室６１の壁面の一部を成し可動シリンダー用のガイド７１に接続された剛体壁部分６２ａまたは６２ｂに片側のみ接続し、ガイド７１と対を成して液体が通過可能な透過壁を持つ可動シリンダーの一部を成す平行電極対３ａ及び３ｂを用いることを除いて、実施例４と同様である。
図８の分極性構造体１３ａの金属コート部分と非コート面の境界の向きに略垂直な方向に電界を印加すると、分極性構造体１３ａの金属コート部分だけに電気浸透流が発生し、電界印加方向と垂直の方向への流体力学的な並進力が分極性構造体１３ａに発生する。分極性構造体１３ａの金属コート部分が壁面６２ａ又は６２ｂを向いているときは、ＡＣ電圧の印加時に分極性構造体１３ａには壁面方向への運動が生じ、図８における８１ａ−８１ｂ方向の引っ張り応力と８２ａ−８２ｂ方向の圧縮応力が発生する。分極性構造体１３ａの金属コート部分が壁面６２ａ又は６２ｂとは逆の方向を向いているときは、ＡＣ電圧の印加時に分極性構造体１３ａには壁面から離れる方向への運動が生じ、図８における８１ａ−８１ｂ方向の圧縮応力と８２ａ−８２ｂ方向の引っ張り応力が発生する。このようにして、ガイド付き剛体壁６２ａ及び６２ｂを８１ａ−８１ｂ方向に大きく可動することができる。また、ＡＣ電圧をスイッチ５でオフとすると、接続体６３ａ及び６３ｂの弾性力によって、分極性接続構造体が元の状態に戻り、液室６１も、その弾性力によって、元の位置に戻すことができる。
実施例６では、半径１０μｍの分極性構造体１３ａを用い、４個の分極性構造体１３ａをそれぞれ２本ずつ可変形性の接続体１３ｂで接続して、６０μｍの分極性接続構造体とした。高さ１００μｍ×幅２００μｍ×奥行き５００μｍの液室６１に、４つの分極性接続構造体を、液室壁面６２ａに２つ、壁面６２ｂに２つ、それぞれ熱溶融により接続した。このとき、金属コート部分は壁面と反対側になるように、分極性構造体１３ａの向きをそろえた。そのほかの条件は実施例１と同様にして、電圧を印加すると、誘起電荷電気浸透流の発生に由来する分極性接続構造体の強い伸縮機能を特異的に引き出すことができる。そのため、本実施例の装置は、例えばアクチュエータとして活用することができる。
１ａ 分極性構造体
１ｂ 分極性構造体
２ 接続体
３ａ 電極
３ｂ 電極
４ ＡＣ電源
５ 電源のオン・オフ制御用スイッチ
７ａ 電解液
７ｂ 液室
９ａ 流路
９ｂ 流路
１１ａ 誘起電荷電気浸透流の流れ方向
１１ｂ 誘起電荷電気浸透流の流れ方向
１ｂ 分極性構造体
２ 接続体
３ａ 電極
３ｂ 電極
４ ＡＣ電源
５ 電源のオン・オフ制御用スイッチ
７ａ 電解液
７ｂ 液室
９ａ 流路
９ｂ 流路
１１ａ 誘起電荷電気浸透流の流れ方向
１１ｂ 誘起電荷電気浸透流の流れ方向
Claims (21)
- 表面に電気的に分極可能な導電性部位を持つ複数の分極性構造体と、複数の該分極性構造体を接続する可動性または可変形性の接続体とからなる分極性接続構造体。
- 前記分極性構造体は、パターン化された前記分極可能な部位を表面に持ち、該パターンの向きが隣り合う分極性構造体の間で異なるように接続された、請求項１に記載の分極性接続構造体。
- 前記分極性構造体は、パターン化された前記分極可能な部位を表面に持ち、該パターンの向きが隣り合う分極性構造体の間で同じになるように接続された、請求項１に記載の分極性接続構造体。
- 前記分極性構造体は、楕円球または楕円柱形の形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の分極性接続構造体。
- 前記接続体は、軸回転部により前記分極性構造体と接着し、一続きの分極性構造体−接続体−隣の分極性構造体の組がＺ字状に並ぶように前記分極性構造体を接続する、請求項４に記載の分極性接続構造体。
- さらに、前記分極性構造体とは大きさ、形状、または材質のうち少なくとも１つが異なる機能性基体を可動性または可変形性の接続体で接続した、請求項１〜５のいずれか１項に記載の分極性接続構造体。
- 前記機能性基体は、標的物質と特異的に結合する機能を有する、請求項６に記載の分極性接続構造体。
- 前記分極性構造体は半径が０．０１μｍ以上１０００μｍ以下の球形である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の分極性接続構造体。
- 前記分極可能な導電性部位は、金属の薄膜である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の分極性接続構造体。
- 前記接続体は、絶縁性である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の分極性接続構造体。
- 前記接続体は、繊維樹脂である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の分極性接続構造体。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の分極性接続構造体と、該分極性接続構造体及び電解質溶液を収容する液室と、電界印加手段とを備えた装置。
- 前記液室は変形可能であり、前記分極性接続構造体は少なくともその一部が前記液室に接続されている、請求項１２に記載の装置。
- 前記電界印加手段は、平行に配置された電極の組であり、電極間の距離は１μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１２または１３に記載の装置。
- 前記液室は流体を供給または排出する流路を備え、
前記分極性構造体は半径５μｍ以下の球形をしており、
前記電界印加手段による電界の印加により該液体を混合する、請求項１２または１４に記載の装置。 - 前記分極性接続構造体は疎水性の表面パターンを持たせた機能性基体を備え、
前記液室は該分極性接続構造体と疎水性微粒子とを少なくとも含む液体を供給する流路を備え、
前記電界印加手段による電界の印加により前記疎水性微粒子を安定化させる、請求項１２または１４に記載の装置。 - 前記分極性接続構造体は凹凸構造を表面に持たせた機能性基体を備え、
前記液室は該分極性接続構造体と該凹凸構造に適合する微粒子とを少なくとも含む液体を供給する流路を備え、
前記電界印加手段による電界の印加により前記凹凸構造に適合する微粒子を分離または除去する、請求項１２または１４に記載の装置。 - 前記分極性構造体は表面を金属薄膜でパターン化された形状にコートした楕円柱形であり、
前記電界印加手段による電界の印加により前記液室を変形させることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。 - 前記分極性構造体は直線状に連結され、
前記分極性接続構造体は前記変形可能な液室の剛体壁部分に接続され、
前記電界印加手段による電界の印加により、該分極性接続構造体に該壁に対する流体力学的な反発作用を発生させることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。 - 前記分極性構造体は楕円柱形であり、
前記接続体は、軸回転部により前記分極性構造体と接着し、一続きの分極性構造体−接続体−隣の分極性構造体の組がＺ字状に並ぶように前記分極性構造体を接続し、
前記分極性接続構造体は前記変形可能な液室の剛体壁部分に接続され、
前記電界印加手段による電界の印加により、該分極性構造体に電気浸透流に由来するトルクを発生させることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。 - 前記分極性構造体は金属面と絶縁面を有し、
前記接続体は分極性構造体を、その金属面の向きが同じになるように直線状に接続し、
前記分極性接続構造体は、前記変形可能な液室の壁面の一部をなす剛体壁部分に片側のみ接続され、
前記電界印加手段による電界の印加により該分極性接続構造体に並進力を発生させることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
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