JP2015525132A - 表面上の液体を浮上させるための物品および方法ならびにそれを組み入れたデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国仮特許出願第61/659,400号(2012年6月13日出願)への優先権と、それの利益とを主張し、それを本明細書で参照によってその全体において援用する
本発明は、概して、固体または液体の表面の上を流動する液体物質または固体物質の間の抗力を低減するかまたは無くし、かつ、付着性を減少させるための物品、デバイス、および、方法に関する。
固体表面および液体表面の両方の上での物質(液体および固体の両方)の流動を容易にするための物品および方法が必要とされている。ある種の以前の方法は、コーティングおよび/またはテクスチャ加工された表面であって、その表面と流動液体との接触によってその液体とのある程度の付着性を常に有するものである表面を利用している。
流動物質(固体または液体)と、相変化材料(単数または複数)を含む下地表面との接触面積は、下地表面上のまたは下地表面の相変化材料(単数または複数)によって生成される中間層の厚みおよび均一性によって決まる。中間層の厚みは、相変化材料(単数または複数)の気化/昇華率によって決まる。先に述べたように、完全浮上、部分浮上および間欠浮上という3つの浮上状態が可能である。
相変化材料は、昇華性固体、気化性液体、非昇華性固体と昇華性固体との複合材、または、気化性液体と非昇華性固体との複合材であってよい。上述の点での相変化材料組成にかかわらず、下記で説明する次の6メカニズムのいずれかによって蒸気中間層を生成することができる:(1)液体からの自然気化;(2)固体からの自然昇華;(3)外部加熱による液体からの強制気化;(4)外部圧力変化による固体からの強制昇華;(5)接触熱伝達による気化;および(6)接触熱伝達による昇華。
気化は、温度Tliquidの液体基材(Aによって示す)が、温度Tsurroundingの不飽和蒸気成分を有するガス混合物(Bによって示す)によって包囲されると発生する。周囲ガス混合物中の基材液の蒸気の拡散係数がDAB m2/秒である場合には、周囲への物質移動の速度は、
昇華は、固体基材が、相図におけるその固体基材の三重点よりも低い温度および圧力で、その固体状態から蒸気状態に直接変化すると、発生する。したがって、圧力Pおよび温度Tを有する系に曝露された昇華温度Tsublimationを有する固体基材は、継続的に蒸気に変換されることになる。先に説明した液体からの気化に類似して、物質移動速度は、
上の等式2から、蒸気密度の差
上の等式2から、蒸気密度の差
温度Tsurroundingのガス混合物によって包囲された温度Tliquidの液体相変化材料を、流動物質温度Tmaterialが該液体相変化材料の沸点TBPよりも高いような流動物質(固体または液体)と接触させた場合には、これら2つの材料の接触は、液体相変化材料の局所的相変化をもたらすことができ、それによって、蒸気層が作られる。
温度Tsurroundingのガス混合物によって包囲された温度Tsolidの固体相変化材料を含むかまたは上記固体相変化材料でコーティングされた固体基材を、流動物質温度Tmaterialが該固体相変化材料の昇華温度Tsublimationよりも高いような流動物質(固体または液体)と接触させた場合には、これら2つの材料の接触は、固体相変化材料の局所的相変化をもたらすことができ、それによって、蒸気層が作られる。流動物質が液体である実施形態において、その流動液の凝固点が相変化材料の昇華温度よりも高い場合、昇華性固体相変化材料上にその流動物質が広がらないようにすることができる。
先に述べたように、浮遊流動物質は、液体であってもよいし、または、固体の物体であってもよい。下地の固体または液体の表面は、相変化固体材料、相変化液体材料、または、固体相変化材料と液体相変化材料との複合材であってよく、または、相変化固体材料、相変化液体材料、または、固体相変化材料と液体相変化材料との複合材を含んでもよい。
本発明者らの発案の研究については、中間潤滑蒸気層が、自然の原因(液体からの自然気化もしくは固体からの自然昇華)もしくは強制的原因(外部加熱による液体からの強制気化もしくは外部圧力変化による固体からの強制昇華)によって、または、接触熱伝達(接触熱伝達による気化もしくは接触熱伝達による昇華)によって確立されることが、肝要である。
表面が昇華性固体(例えば、ドライアイス)を含むある種の実施形態では、表面に、その上での流動物質の移動の制御を可能にするパターンを形成することができる。図8は、ドライアイス中に作られた人工微小チャネル内で振動する水滴の画像のシーケンスを図示するものである。所望の形状のパターン形成を様々な方法で行って、優先的な昇華増進を生じさせることができる。図8に示す1つの実施形態によると、ドライアイス表面に押し付けられるドライアイスよりも高温に保たれた鋼製ディスクに力を加えるによって、図示されているパターンが作られた。印加された力による側圧は、鋼製ディスクの下のドライアイスの大量の昇華をもたらす。ある種の実施形態において、相変化材料(例えばドライアイス)を含むかまたは該相変化材料で被覆されている下地表面内または下地表面上にパターンを作る方法としては、プレス、切断、スライシングなどが挙げられるが、これらに限定されない。様々なパターン形成表面を図9(a)〜図9(c)に示す。
相変化材料の気化による中間層の形成に起因する接触の減少は、相変化材料からの熱伝達および物質移動とともに相変化材料の流動物質との相互作用に基づく。これは、相変化材料のみからの気化率が流動物質の浮上に十分でないとき(例えば、
様々な実施形態において、本明細書に記載する方法およびシステムは、少なくとも次の2つのやり方で用いることができる:(1)置換可能な相変化基材、および、(2)補充され得る相変化基材。
1つの実施形態によると、パターン形成された基材相変化材料を、それが(例えば、気化損失によって)完全に使い果たされるまで使用することができ、そしてその後、同様にパターン形成された基材相変化材料によって置換することができる。このタイプのシステムには、いくつかの利点がある。利点の1つは、相変化基材材料の気化が、無視できるほどのメンテナンスしか必要としない自己清浄化システムを作り出すことを可能にすることである。流動物質が性質的に危険(例えば、酸、塩基、病原体封入液など)である実施形態では、絶えず気化している材料がこれらの危険材料を包み込み、そしてそれによって酸素、塵などを含む外部の汚染因子への供給を遮断する。さらに、相変化基材材料の除去は、輸送後の相変化基材の環境的清浄化の必要性を最小にする。従来のシステム、例えば、流動物質の流動を促進する材料でコーティングされていない通常の表面を使用するシステムは、流動物質の輸送前および/または輸送後に複数の清浄化動作を必要とする。かかる清浄化動作としては、アセトン洗浄、DI水洗浄などが挙げられる。これらの動作は、有機廃棄物を作り、それの廃棄処分および管理は、有意な量の金銭的および時間的な支出を必要とする。
ある種の実施形態では、特に相変化基材材料が液体である場合、固体基材上にマイクロ/ナノテクスチャを提供して相変化液体を保持することによって、相変化材料の補充を遂行することができる。特に、液体含浸表面を利用する実施形態では、この補充は、テクスチャ特性の調整によって、かつ、他の手段、例えば、テクスチャ加工基材の近くに揮発性液体の人工レザバを、そのテクスチャ加工基材の一部がそのようなレザバと接触しているように提供し、その結果、揮発性液体が毛管作用によってそのテクスチャ加工基材内に出ることができるようにすることによって達成することができる。
本発明の実施形態に従って有用な表面についてのいくつかの一般的な望ましい要件は、相変化材料とその蒸気の両方が、流動性物質と非反応性かつ不混和性であることと、相変化材料(単数もしくは複数)を含む表面をその上に配置することができるか、または、相変化材料を保持する固体基材と非反応性かつ混和性であることとを含む。さらに、そのような適用のための相変化材料(単数または複数)の選択は、熱力学的条件に依存する。大きな蒸気圧(高揮発性)を有する相変化材料に適した液体を得ることができる。これらの液体をさらに加熱して、蒸気フラックスを増すことができ、供給される熱は、燃焼または関連した望ましくない現象の発生を回避するために、これらの液体がそれらの引火点に決して達しない程度の熱である。
流動物質は、(固相、液相または蒸気相の)基材相変化材料と非反応性かつ不混和性である。適切な流動物質の例としては、有機液体(かかる液体の例は、上記の表1に提供されている)、水、任意の相溶性固体、ナノ流体、生体液(例えば、血漿、血液など)、他の成分(例えば、病原体、抗体、ウイルス、細胞培養物、核酸など)が含有または封入されている液体、相溶性の酸、および、相溶性の塩基(上記の表1に提供されているものを含む)が挙げられる。本明細書に記載する方法は、低い表面張力の液体、高粘度の液体などを含む多種多様な液体の付着性を低減することが可能である。
先に述べたように、材料間の接触が懸念される様々な適用および産業において本発明を用いることができる。
本発明を特定の好ましい実施形態に関して特に示し、説明したが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における様々な変更をなすことができることは、当業者には理解されるべきである。
Claims (25)
- 相変化材料を含んでいる表面上における流動物質の流動を容易にする方法であって、前記方法は、
前記流動物質の温度よりも低い融解温度および/または昇華温度を(動作圧力において)有する相変化材料を含んでいる表面を提供することと、
前記表面上に前記流動物質を導入し、それによって、前記相変化材料の少なくとも一部分を第1の状態から第2の状態に局所的に転移させ、それによって、前記流動物質と前記表面との間に潤滑中間層を形成することと
を含んでいる、方法。 - 前記表面は、前記相変化材料で含浸させられ、前記表面は、特徴のマトリックスを含み、前記特徴のマトリックスは、前記特徴間または前記特徴内に前記相変化材料を安定的に含有するために十分近い間隔で配列されている、請求項1に記載の方法。
- 前記流動物質は、液滴である、請求項1に記載の方法。
- 前記流動物質は、動作条件において固体である、請求項1に記載の方法。
- 前記流動物質は、動作条件において液体である、請求項1に記載の方法。
- 前記流動物質は、液体流である、請求項1に記載の方法。
- 前記流動物質は、液滴流である、請求項1に記載の方法。
- 前記表面は、基材上のコーティングである、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 周囲ガスは、前記相変化材料の前記融解温度および/または昇華温度よりも低い温度を有し、その結果、前記相変化材料は、前記流動物質と接触している位置以外の位置において実質的に前記第1の状態のままである、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記表面は、チャネルを形成し、前記チャネルの上を(または前記チャネルを通って)前記流動物質が流動する、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 生物学的物質を前記液滴内に封入するステップをさらに含んでいる、請求項3または7に記載の方法。
- 前記生物学的物質は、DNAおよび/またはRNAを含んでいる、請求項11に記載の方法。
- 前記液滴は、0.1 pL〜1000 pLの範囲にある体積を有する、請求項3、7、11または12に記載の方法。
- 前記相変化材料の供給を補充することをさらに含んでいる、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記相変化材料は、前記第1の状態において液体または固体であり、前記第2の状態において蒸気である、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記相変化材料は、ケロシン、ジクロロメタン、アセトン、エタノール、ヨウ素およびナフタレンから選択される液体である、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記相変化材料は、ドライアイスである、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記相変化材料は、ショウノウおよび乾燥窒素から選択される固体である、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記流動物質の体積は、輸送中、一定のままである、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1の状態および前記第2の状態における前記相変化材料は、前記流動物質と非反応性かつ不混和性である、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記表面は、マイクロテクスチャ加工されている、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記表面は、選択されたパターンに配置された少なくとも1つの前記相変化材料を含んでいて、前記流動物質は、前記選択されたパターンに従って前記表面の上を流動する、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記パターンは、略V字形状パターンであり、前記方法は、第2の流動物質を前記表面上に導入することをさらに含み、前記流動物質および前記第2の流動物質は、前記略V字形状パターンの異なる枝道に沿って流動し、前記流動物質および前記第2の流動物質は、前記略V字形状パターンの頂点で合流する、請求項22に記載の方法。
- 前記流動物質は、輸送中、前記第2の状態における前記相変化材料のみと接触している、前記請求項のいずれか1項に記載の方法。
- 前記流動物質は、前記相変化材料の前記融点および/または昇華点よりも高い融点および/または昇華点を有する液体である、請求項1〜2、6、8〜10、または、14〜24のいずれか1項に記載の方法。
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A975 | Report on accelerated examination |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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