JP2019158471A - Droplet motion control method - Google Patents

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Abstract

To provide a method for controlling droplet motion in a microscopic system with a new approach.SOLUTION: Provided is a droplet motion control method. The droplet motion control method includes the steps of: preparing a member having a surface on which a large number of micro wrinkles having orientation is formed; and moving the droplet in a certain traveling direction determined according to the orientation on the surface. A driving force acting on the droplet on the surface can be generated only by gravity. The driving force can be generated by inclining the surface to the horizontal face.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、微小な系で液滴の運動を制御する方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for controlling droplet motion in a microscopic system.

近年、化学や医療等の様々な分野において、微量の液体の運動制御技術の需要が高まっている。例えば、ラボオンチップやマイクロリアクター等と呼ばれるマイクロ流体デバイスにおいては、微量の試薬を用いて反応や混合が行われる。微小な系での微量の液体の操作には、様々な利点がある。例えば、温度制御が容易であること、液体の単位体積あたりの表面積が大きくなるため、界面での反応効率が良好となること、系の小型化や試料の省量化が図られ、省スペース化、省資源化及び省エネルギー化、ひいてはコスト削減が実現されること等が挙げられる。   In recent years, in various fields such as chemistry and medicine, there is an increasing demand for motion control technology for a minute amount of liquid. For example, in a microfluidic device called a lab-on-chip or a microreactor, reaction and mixing are performed using a very small amount of reagent. There are various advantages to manipulating a small amount of liquid in a minute system. For example, the temperature control is easy, the surface area per unit volume of the liquid is increased, the reaction efficiency at the interface is improved, the system is miniaturized and the sample is saved, saving space, For example, resource saving, energy saving, and cost reduction can be realized.

微小な系で液滴を操作するとき、液滴の固体面上でのぬれ性や表面張力といった界面現象の影響が重要である。最近では、温度差、電場、光化学反応等を利用して、固体面上で局所的にぬれ性や表面張力を変化させ、液滴の運動制御を行う手法が数多く提案されている。例えば、非特許文献1は、固体面に電極を配置し、固体面のぬれ性を電気的に変化させて固体面上で液滴を駆動する手法を開示している。特許文献1も、ぬれ性を変化させて液滴を駆動する技術に関し、ここでは、固体面上で液滴の端部にレーザーを照射し、液滴を同端部の方向へ移動させる。   When manipulating droplets in a minute system, the influence of interfacial phenomena such as wettability and surface tension on the solid surface of the droplet is important. Recently, many techniques for controlling the movement of droplets by changing the wettability and surface tension locally on a solid surface using a temperature difference, an electric field, a photochemical reaction, and the like have been proposed. For example, Non-Patent Document 1 discloses a method in which an electrode is disposed on a solid surface and the wettability of the solid surface is electrically changed to drive droplets on the solid surface. Patent Document 1 also relates to a technique for driving a droplet by changing wettability. Here, a laser is irradiated on the end of the droplet on a solid surface, and the droplet is moved in the direction of the end.

Dahuber, A.A. and Troian, S.M.、 Principles of Microfluidic Actuation by Modulation of Surface Stresses, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol.37(2005), 425-455Dahuber, A.A. and Troian, S.M., Principles of Microfluidic Actuation by Modulation of Surface Stresses, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 37 (2005), 425-455

特開2012−32258号公報JP 2012-32258 A

しかしながら、従来の様々な液滴の運動制御技術は、未だ課題を抱える。例えば、非特許文献1では、固体面に予め電極パターンの加工が必要となり、電極パターンに応じた運動しか得られない不自由さがある。一方、特許文献1では、固体面の加工が不要であり、外部から自由に運動制御を行うことができるものの、レーザーの照射器を用意しなければならない。また、液滴に所望の運動をさせるためには、同照射器の位置制御が必要になり得る。よって、これまでに様々な液滴の運動制御方法が提案されてきているものの、この分野は発展の段階にあり、さらなる技術革新が望まれる。   However, various conventional droplet movement control techniques still have problems. For example, in Non-Patent Document 1, it is necessary to process an electrode pattern on a solid surface in advance, and there is inconvenience that only movement according to the electrode pattern can be obtained. On the other hand, in Patent Document 1, processing of a solid surface is unnecessary, and although motion control can be freely performed from the outside, a laser irradiator must be prepared. In addition, in order to cause the droplet to perform a desired movement, it is possible to control the position of the irradiator. Thus, although various droplet movement control methods have been proposed so far, this field is in the development stage, and further technological innovation is desired.

本発明は、新たなアプローチにより、微小な系での液滴の運動を制御する方法及び装置を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for controlling droplet movement in a minute system by a new approach.

第1観点に係る液滴の運動制御方法は、配向性を有する多数のマイクロリンクルが形成された表面を有する部材を用意することと、前記表面上で、前記液滴を前記配向性に応じて定まる一定の進行方向に移動させることとを含む。   According to a first aspect of the droplet movement control method, a member having a surface on which a large number of microwrinkles having orientation is formed is prepared, and the droplet is placed on the surface according to the orientation. Moving in a fixed direction.

第2観点に係る液滴の運動制御方法は、第1観点に係る液滴の運動制御方法であって、前記部材を用意することは、前記表面が水平面に対して傾くように前記部材を配置することを含む。前記液滴を移動させることは、前記表面上で、前記液滴に重力による駆動力を作用させ、前記進行方向に移動させることを含む。   A droplet movement control method according to a second aspect is a droplet movement control method according to the first aspect, wherein the member is arranged such that the surface is inclined with respect to a horizontal plane. Including doing. Moving the droplet includes moving the droplet in the traveling direction by applying a driving force by gravity to the droplet on the surface.

第3観点に係る液滴の運動制御方法は、第2観点に係る液滴の運動制御方法であって、前記駆動力は、重力のみである。   The droplet movement control method according to the third aspect is the droplet movement control method according to the second aspect, and the driving force is only gravity.

第4観点に係る液滴の運動制御方法は、第1観点から第3観点のいずれかに係る液滴の運動制御方法であって、前記部材を用意することは、前記表面上で、前記液滴に駆動力が作用する方向に対して前記配向性が示す方向が為す角度が、0°より大きく90°未満となるように前記部材を配置することを含む。   A droplet movement control method according to a fourth aspect is the droplet movement control method according to any one of the first to third aspects, wherein the member is prepared on the surface, Including arranging the member such that an angle formed by a direction indicated by the orientation with respect to a direction in which a driving force acts on the droplet is greater than 0 ° and less than 90 °.

第5観点に係る液滴の運動制御装置は、配向性を有する多数のマイクロリンクルが形成された表面を有する部材を備える。前記液滴は、前記表面上で、前記配向性に応じて定まる一定の進行方向に移動させられる。   A droplet movement control device according to a fifth aspect includes a member having a surface on which a number of microwrinkles having orientation are formed. The droplets are moved on the surface in a certain traveling direction determined according to the orientation.

本発明の以上の観点によれば、液滴を移動させる固体面として、配向性を有する多数のマイクロリンクルが形成された表面が使用される。本発明者らの研究によると、このような面は、固体面上での液滴の運動に影響を与えるぬれ性や接触角等の要因に照らして異方性を有し、液滴は、このような面上をマイクロリンクルの配向性に応じて定まる一定の進行方向に移動させられる。よって、マイクロリンクルの配向性によって液滴の進行方向を制御するという新たなアプローチにより、微小な系での液滴の運動を制御することができる。   According to the above aspect of the present invention, a surface on which a large number of microwrinkles having orientation is formed is used as a solid surface for moving droplets. According to the study by the present inventors, such a surface has anisotropy in light of factors such as wettability and contact angle that affect the movement of the droplet on the solid surface. Such a surface can be moved in a certain traveling direction determined according to the orientation of the microwrinkle. Therefore, the movement of the droplet in a minute system can be controlled by a new approach of controlling the traveling direction of the droplet based on the orientation of the microwrinkle.

本発明の一実施形態に係る液滴の運動制御装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the motion control apparatus of the droplet which concerns on one Embodiment of this invention. マイクロリンクルを形成する過程を説明する模式図。The schematic diagram explaining the process of forming a micro wrinkle. 延伸ひずみが10%の場合の形状解析レーザー顕微鏡による試料板の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the sample board by a shape analysis laser microscope in case an extending | stretching distortion is 10%. 延伸ひずみが14%の場合の形状解析レーザー顕微鏡による試料板の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the sample board by a shape analysis laser microscope in case extending | stretching distortion is 14%. 延伸ひずみが10%及び14%の場合のマイクロリンクルの高さ分布曲線に対するFFTの結果を示す図。The figure which shows the result of FFT with respect to the height distribution curve of a micro wrinkle in case extending | stretching distortion is 10% and 14%. 液滴の前進接触角及び後退接触角を説明する図。The figure explaining the advancing contact angle and receding contact angle of a droplet. 液滴の転落実験に使用した実験装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the experimental apparatus used for the drop fall experiment. 延伸ひずみが10%及び14%の場合の臨界角度の測定値及び理論値を示すグラフ。The graph which shows the measured value and theoretical value of a critical angle in case extending | stretching distortion is 10% and 14%. マイクロリンクルの角度αを説明する図。The figure explaining angle (alpha) of a micro wrinkle. 延伸ひずみが10%及び14%の場合の転落時の液滴の軌跡の測定値を示すグラフ。The graph which shows the measured value of the locus | trajectory of the droplet at the time of a fall when extending | stretching distortion is 10% and 14%.

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る運動制御方法及び装置について説明する。   Hereinafter, a motion control method and apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

<1.液滴の運動制御装置の構成>
図1に、本実施形態に係る液滴の運動制御装置1の全体構成を示す。運動制御装置1は、多数のマイクロリンクルMLが形成された表面3を有する部材2を備える。表面3は平坦に構成されており、部材2は平板状である。多数のマイクロリンクルMLは、一定の配向性を有するように形成されており、本実施形態では、直線状の配向性を有する。マイクロリンクルMLとは、微細なしわのことであり、典型的にはマイクロメートルオーダーの波長を有する凹凸構造である。マイクロリンクルMLは、表面3に形成された溝であり、その配向性に対応する一定の配向方向D1に沿って延びている。
<1. Configuration of Droplet Motion Control Device>
FIG. 1 shows an overall configuration of a droplet motion control apparatus 1 according to the present embodiment. The motion control device 1 includes a member 2 having a surface 3 on which a large number of microwrinkles ML are formed. The surface 3 is configured to be flat, and the member 2 has a flat plate shape. A large number of micro wrinkles ML are formed to have a certain orientation, and in this embodiment, have a linear orientation. The microwrinkle ML is a fine wrinkle, and is typically a concavo-convex structure having a wavelength on the order of micrometers. The micro wrinkle ML is a groove formed on the surface 3, and extends along a certain orientation direction D1 corresponding to the orientation.

運動制御装置1は、表面3上で液滴を一定の進行方向に移動させることができる。その原理は後述するが、液滴の進行方向は、マイクロリンクルMLの配向性に応じて定まる。本実施形態では、表面3上を移動させるために液滴に与えられる駆動力は、重力のみである。よって、駆動力を発生させるための特別な装置が不要となり、装置1はシンプルに構成される。   The motion control device 1 can move droplets on the surface 3 in a certain traveling direction. Although the principle will be described later, the traveling direction of the droplet is determined according to the orientation of the microwrinkle ML. In the present embodiment, the driving force applied to the droplet to move on the surface 3 is only gravity. Therefore, a special device for generating a driving force is not required, and the device 1 is configured simply.

液滴に重力による駆動力を作用させるために、部材2は、図1に示すように、表面3が水平面に対して傾斜角φ(0°<φ)だけ傾くように配置される。また、図1に示すように、鉛直方向を表面3上に投影した方向(以下、重力方向ということがある)D2に対して、マイクロリンクルMLの配向方向D1が為す角度をαとする。このとき、部材2は、0°<α<90°となるように配置される。重力方向D2は、表面3上で液滴に重力が作用する方向である。   In order to apply a driving force due to gravity to the droplet, the member 2 is disposed such that the surface 3 is inclined by an inclination angle φ (0 ° <φ) with respect to the horizontal plane, as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 1, an angle formed by the orientation direction D1 of the micro wrinkle ML with respect to a direction D2 (hereinafter sometimes referred to as a gravity direction) D2 projected on the surface 3 is defined as α. At this time, the member 2 is arranged so that 0 ° <α <90 °. The gravity direction D2 is a direction in which gravity acts on the droplet on the surface 3.

<2.原理>
次に、運動制御装置1による液滴の運動制御の原理を説明する。以下では、本発明者らが行った実験について言及しつつ、説明を行う。この実験では、マイクロリンクルMLによる液滴の接触角θに関する異方性について調べた。その結果、この異方性により、重力等の駆動力によって固体面上を移動する液滴の運動方向を制御可能であることが確認された。
<2. Principle>
Next, the principle of droplet movement control by the movement control device 1 will be described. Below, it demonstrates, referring the experiment which the present inventors conducted. In this experiment, the anisotropy related to the contact angle θ of the droplet by the microwrinkle ML was examined. As a result, it was confirmed that the direction of movement of the droplet moving on the solid surface by the driving force such as gravity can be controlled by this anisotropy.

<2−1.マイクロリンクルの形成>
実験を行うに際し、マイクロリンクルMLを形成した。図2は、マイクロリンクルMLを形成する過程を説明する模式図である。まず、母材として1.0mm(厚み)×23.8mm(長さ)×80mm(幅)にカットしたポリ塩化ビニル(PVC)の試料を用意した。以上の母材を90℃の恒温槽内に設置し、図2(a)のように万能材料試験機により引張応力により延伸ひずみを与えた後、万能材料試験機に固定したまま常温に冷却した。延伸ひずみは、10%及び14%の2種類与えた。なお、PVCは、80℃でガラス転移温度に達し、ゴム状態に移行する。以上の母材は加熱すると反り返って湾曲したので、図2(b)に示すように、これを1.0×22×22mmの試験片にカットし、カットされた2枚の試験片を張り合わせたものを試料板とした。試験片どうしの張り合わせは、試験片のうちの1枚の表面に硬質塩化ビニル管用接着剤を塗布することにより行った。
<2-1. Formation of micro wrinkles>
In performing the experiment, microwrinkle ML was formed. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a process of forming the microwrinkle ML. First, a sample of polyvinyl chloride (PVC) cut to 1.0 mm (thickness) × 23.8 mm (length) × 80 mm (width) was prepared as a base material. The above base material was placed in a constant temperature bath at 90 ° C., and stretched by a tensile stress by a universal material testing machine as shown in FIG. 2A, and then cooled to room temperature while being fixed to the universal material testing machine. . Two types of stretching strains of 10% and 14% were given. Note that PVC reaches the glass transition temperature at 80 ° C. and transitions to a rubber state. Since the above base material was warped and curved when heated, it was cut into 1.0 × 22 × 22 mm test pieces as shown in FIG. 2B, and the two cut test pieces were bonded together. A sample plate was used. Lamination of the test pieces was performed by applying a hard vinyl chloride pipe adhesive to the surface of one of the test pieces.

次に、以上の試料板の表面に薄膜を形成した(図2(c)参照)。より具体的には、試料板をスピンコーター(ミカサ社製のMS−B100)に設置し、マイクロピペットを用いて試料板の中心にポリマー溶液を200μl滴下した。ポリマー溶液は、1.2wt%の濃度のポリ−N−ビニルカルバゾル(PVK)を溶かしたジクロロエタン溶液とした。その後、直ちに250rpmで10秒間、さらに2500rpmで90秒間スピンコーターを回転させて、試料板の表面に、約100nmの膜厚のPVKのスピンコート薄膜を作成した。   Next, a thin film was formed on the surface of the above sample plate (see FIG. 2C). More specifically, the sample plate was placed on a spin coater (MS-B100 manufactured by Mikasa), and 200 μl of the polymer solution was dropped onto the center of the sample plate using a micropipette. The polymer solution was a dichloroethane solution in which poly-N-vinylcarbazole (PVK) having a concentration of 1.2 wt% was dissolved. Thereafter, the spin coater was immediately rotated at 250 rpm for 10 seconds and further at 2500 rpm for 90 seconds to form a PVK spin-coated thin film having a thickness of about 100 nm on the surface of the sample plate.

その後、PVKの薄膜が表面に形成された試料板を90℃に再加熱し、3時間放置した(図2(d)参照)。薄膜を構成するPVKは、ガラス転移温度が190℃であり、母材を構成するPVCのそれよりも高く、再加熱の温度よりも高い。そのため、再加熱により、試料板の母材部分はガラス転移温度に達するが、薄膜部分はガラス転移温度に達さない。よって、母材部分のみがゴム状態となり、延伸ひずみが解放されて縮み、これに伴って、薄膜部分が座屈した。これにより、母材表面のPVKの薄膜部分にたわみ(しわ)が発生し、マイクロリンクルMLが形成された(図2(e)参照)。   Thereafter, the sample plate on which the PVK thin film was formed was reheated to 90 ° C. and left for 3 hours (see FIG. 2D). PVK constituting the thin film has a glass transition temperature of 190 ° C., higher than that of PVC constituting the base material, and higher than the reheating temperature. Therefore, by reheating, the base material portion of the sample plate reaches the glass transition temperature, but the thin film portion does not reach the glass transition temperature. Therefore, only the base material portion was in a rubber state, the stretching strain was released and the material thinned, and the thin film portion buckled. Thereby, bending (wrinkle) occurred in the thin film portion of PVK on the surface of the base material, and micro wrinkle ML was formed (see FIG. 2 (e)).

マイクロリンクルMLの作成後、その形状を確認した。形状の確認は、形状解析レーザー顕微鏡(キーエンス社製のVK−X1000)を用いて、以上の試料板におけるマイクロリンクルMLが形成された表面(以下、リンクル表面という)の三次元高さ分布を調べる方法により行った。三次元高さ分布は、試料板のリンクル表面の縦約284μm及び横約213μmの範囲(768×1024ピクセル)で測定した。   After the creation of the microwrinkle ML, its shape was confirmed. For confirmation of the shape, a three-dimensional height distribution of the surface (hereinafter referred to as the wrinkle surface) on which the micro wrinkle ML is formed on the above sample plate is examined using a shape analysis laser microscope (VK-X1000 manufactured by Keyence Corporation). By the method. The three-dimensional height distribution was measured in a range of about 284 μm in length and 213 μm in width (768 × 1024 pixels) on the wrinkle surface of the sample plate.

図3(a)及び図4(a)は、それぞれ試料板S1及びS2を形状解析レーザー顕微鏡で測定したときのリンクル表面の平面画像である。なお、試料板S1、S2とは、それぞれ10%、14%の延伸ひずみを母材に与えて形成したマイクロリンクルML付きの試料板である。図3(a)及び図4(a)中に示されるx軸は、延伸ひずみを与えたときの引張方向であり、マイクロリンクルMLの溝が延びる方向である。y軸は、リンクル表面においてx軸に直交する方向であり、マイクロリンクルMLの溝が配列される方向である。よって、y軸に平行なリンクル表面の断面形状は、マイクロリンクルMLの凹凸構造により波形となる。図3(b)及び図4(b)は、それぞれ試料板S1及びS2のリンクル表面の三次元高さ分布を示す図であり、図3(c)及び図4(c)は、それぞれ図3(a)及び図4(a)中のy方向の線分S−S’に沿った断面でのリンクル表面の高さ分布曲線である。   FIG. 3A and FIG. 4A are planar images of the wrinkle surface when the sample plates S1 and S2 are measured with a shape analysis laser microscope, respectively. The sample plates S1 and S2 are sample plates with microwrinkle ML formed by applying 10% and 14% stretching strain to the base material, respectively. The x-axis shown in FIGS. 3 (a) and 4 (a) is the tensile direction when stretching strain is applied, and is the direction in which the groove of the microwrinkle ML extends. The y-axis is a direction orthogonal to the x-axis on the wrinkle surface, and is a direction in which the grooves of the micro wrinkle ML are arranged. Therefore, the cross-sectional shape of the wrinkle surface parallel to the y-axis has a waveform due to the uneven structure of the micro wrinkle ML. 3 (b) and 4 (b) are diagrams showing the three-dimensional height distribution of the wrinkle surface of the sample plates S1 and S2, respectively. FIGS. 3 (c) and 4 (c) It is the height distribution curve of the wrinkle surface in the cross section along line segment SS 'of the y direction in (a) and Fig.4 (a).

図5(a)及び(b)は、それぞれ図3(c)及び図4(c)の高さ分布曲線の波形に対する高速フーリエ解析(FFT)の結果である。同図の横軸は波長を、縦軸は振幅を示す。このFFTの結果、試料板S1及びS2のy方向の高さ分布曲線の波長(ピーク波長)λは、表1のとおりとなった。また、試料板S1及びS2の各々に対し、以上の三次元高さ分布の測定結果に基づいてリンクル表面の表面粗さRa及び最大高さRzを測定した結果を、同様に表1に示す。表1の結果からは、延伸ひずみが大きいほど、リンクル表面上の薄膜の変化量が大きくなるため、表面粗さRa及び最大高さRzが大きくなることが分かる。
FIGS. 5A and 5B show the results of fast Fourier analysis (FFT) for the waveforms of the height distribution curves in FIGS. 3C and 4C, respectively. In the figure, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents amplitude. As a result of the FFT, the wavelength (peak wavelength) λ of the height distribution curve in the y direction of the sample plates S1 and S2 is as shown in Table 1. Table 1 also shows the results of measuring the surface roughness Ra and the maximum height Rz of the wrinkle surface based on the measurement results of the above three-dimensional height distribution for each of the sample plates S1 and S2. From the results in Table 1, it can be seen that as the stretching strain increases, the amount of change in the thin film on the wrinkle surface increases, and thus the surface roughness Ra and the maximum height Rz increase.

<2−2.接触角の異方性>
次に、試料板S1及びS2のリンクル表面上での液滴の接触角θを測定し、その異方性を調べた。傾斜した固体面上で液滴が転落の臨界状態にあるとき、前端(下端)では液体が固体面をぬらす方向として前進接触角θAが観測され、後端(上端)では乾かす方向として後退接触角θRが観測される。図6は、液滴の前進接触角θA及び後退接触角θRを説明する図である。固体面上の液滴は、その周囲の全ての点において、前進接触角θAと後退接触角θRとの間の任意の角度で固体面と接する。θAとθRは、液滴が固体面において形成できる最大角度と最小角度であるため、液滴が転落を始めるときに前後端で観測される限界の角度であるということもできる。
<2-2. Anisotropy of contact angle>
Next, the contact angle θ of the droplets on the wrinkle surfaces of the sample plates S1 and S2 was measured, and the anisotropy was examined. When the droplet is in a critical state of falling on an inclined solid surface, the forward contact angle θ A is observed at the front end (lower end) as the direction in which the liquid wets the solid surface, and at the rear end (upper end), the contact is backward as the direction to dry. An angle θ R is observed. FIG. 6 is a diagram for explaining the advancing contact angle θ A and the receding contact angle θ R of the droplet. The droplet on the solid surface touches the solid surface at any point between its advancing contact angle θ A and the receding contact angle θ R at all points around it. Since θ A and θ R are the maximum angle and the minimum angle at which the droplet can form on the solid surface, it can be said that the angle is the limit angle observed at the front and rear ends when the droplet starts to fall.

接触角θの測定方法は様々であるが、ここでは、水平に設置した試料板S1及びS2のリンクル表面上に滴下された液滴の形状を撮影し、その画像から接触角θを測定した。前進接触角θAの測定時には、マイクロシリンジで試料液体を押し出し、壁面(リンクル表面)上で固気液3相の接触線Cが広がるように液滴を設置しつつ、撮影を行った。試料液体としては、蒸留水を使用した。一方、後退接触角θRの測定時には、壁面(リンクル表面)上の液滴からマイクロシリンジにより液体を吸い取り、接触線Cを後退させつつ、撮影を行った。このとき、動的ぬれの効果が現れないよう、液滴の周囲の接触線Cの移動速度が1.0mm/min以下となるように、ゆっくりと液滴を膨張及び収縮させた。 There are various methods for measuring the contact angle θ. Here, the shape of the droplet dropped on the wrinkle surface of the sample plates S1 and S2 installed horizontally was photographed, and the contact angle θ was measured from the image. When measuring the advancing contact angle θ A , the sample liquid was pushed out with a microsyringe, and shooting was performed while placing droplets so that the solid-liquid three-phase contact line C spread on the wall surface (wrinkle surface). Distilled water was used as the sample liquid. On the other hand, at the time of measuring the receding contact angle θ R, the liquid was sucked from the droplet on the wall surface (wrinkle surface) by the microsyringe, and photographing was performed while the contact line C was retracted. At this time, the droplet was slowly expanded and contracted so that the moving speed of the contact line C around the droplet was 1.0 mm / min or less so that the dynamic wetting effect did not appear.

次に、以上のようにして撮影された画像上で、輝度値の勾配が最大となる点列を液滴表面の気液界面とし、気液界面の形状を求めた。接触線Cの近傍の気液界面の形状を多項式近似し、接触線Cの位置での勾配から接触角θを測定した。前進接触角θAは、マイクロリンクルMLの溝に平行な方向(配向方向D1)と、これに垂直な方向との2つの方向について測定した。以下、それぞれを前進接触角θAp、前進接触角θAoという。同様に、後退接触角θRも、マイクロリンクルMLの溝に平行な方向(配向方向D1)と、これに垂直な方向との2つの方向について測定した。以下、それぞれを後退接触角θRp、後退接触角θRoという。接触角θAo、θAp、θRo及びθRpの測定は、試料板S1及びS2の各々に対して行い、同じ実験条件下で6回測定し、その平均値を測定値とした。この測定の結果を表2に示す。
Next, on the image photographed as described above, the point sequence that maximizes the gradient of the luminance value was taken as the gas-liquid interface on the droplet surface, and the shape of the gas-liquid interface was determined. The shape of the gas-liquid interface near the contact line C was approximated by a polynomial, and the contact angle θ was measured from the gradient at the position of the contact line C. The advancing contact angle θ A was measured in two directions: a direction parallel to the groove of the microwrinkle ML (orientation direction D1) and a direction perpendicular thereto. Hereinafter, these are referred to as advancing contact angle θ Ap and advancing contact angle θ Ao , respectively. Similarly, the receding contact angle θ R was also measured in two directions: a direction parallel to the groove of the microwrinkle ML (orientation direction D1) and a direction perpendicular thereto. Hereinafter, these are referred to as the receding contact angle θ Rp and the receding contact angle θ Ro , respectively. The contact angles θ Ao , θ Ap , θ Ro and θ Rp were measured for each of the sample plates S1 and S2, measured six times under the same experimental conditions, and the average value was taken as the measured value. The results of this measurement are shown in Table 2.

また、比較のために、試料板S1及びS2と同様にスピンコート薄膜を形成したが、マイクロリンクルMLが形成されていない試料板S0に対して、試料板S1及びS2と同様の方法で前進接触角θA及び後退接触角θRを測定した。以下、それぞれを前進接触角θAc及び後退接触角θRcという。この測定の結果を表3に示す。
For comparison, a spin coat thin film is formed in the same manner as the sample plates S1 and S2, but forward contact is made in the same manner as the sample plates S1 and S2 with respect to the sample plate S0 on which the microwrinkle ML is not formed. Angle θ A and receding contact angle θ R were measured. Hereinafter, these are referred to as the forward contact angle θ Ac and the backward contact angle θ Rc , respectively. The results of this measurement are shown in Table 3.

なお、以上の実験前に、試料板S0〜S2のリンクル表面は全て蒸留水で共洗いした。表2及び表3の結果からは、マイクロリンクルMLの形成により、しわに垂直な方向へのぬれ性が悪くなり、前進接触角θAoがスピンコートのみの前進接触角θAcより大きくなっていることが分かる。また、試料板S0〜S2の表面にはマイクロリンクルMLの他に、加工に伴う傷が認められため、液滴の後退接触角θRの測定時に液滴の端部が傷に引っかかり、後退接触角θRが減少する現象が観察された。そのため、後退接触角θRの標準偏差が前進接触角θAのそれよりも大きくなったと考えられる。表2からは、本実験で形成したマイクロリンクルMLにおいて、前進接触角θAには約6°の異方性が観測され(試料板S1の場合、5.9°であり、試料板S2の場合、6.1°である)、後退接触角θRには約2°の異方性が観測された(試料板S1の場合、4.0°であり、試料板S2の場合、1.9°である)。 In addition, before the above experiment, all the wrinkle surfaces of the sample plates S0 to S2 were co-washed with distilled water. From the results in Tables 2 and 3, the wettability in the direction perpendicular to the wrinkles is deteriorated due to the formation of the microwrinkle ML, and the advancing contact angle θ Ao is larger than the advancing contact angle θ Ac of only the spin coat. I understand that. In addition to the microwrinkle ML, scratches associated with processing are recognized on the surfaces of the sample plates S0 to S2, so that the edge of the droplet is caught by the scratch when measuring the receding contact angle θ R of the droplet, and the receding contact is made. A phenomenon was observed in which the angle θ R decreased. Therefore, it is considered that the standard deviation of the receding contact angle θ R is larger than that of the advancing contact angle θ A. From Table 2, in the microwrinkle ML formed in this experiment, an anisotropy of about 6 ° is observed in the advancing contact angle θ A (in the case of the sample plate S1, it is 5.9 °, and the sample plate S2 In this case, an anisotropy of about 2 ° was observed in the receding contact angle θ R (in the case of the sample plate S1, 4.0 °, in the case of the sample plate S2, 1. 9 °).

<2−3.転落の臨界角度>
次に、試料板S1及びS2のリンクル表面上で液滴が転落するときの、リンクル表面の水平面に対する傾斜角φ(以下、臨界角度という)を測定した。図7に、この転落実験に用いた実験装置の構成を示す。同装置を用いた実験方法は、以下のとおりとした。
<2-3. Critical angle of falling>
Next, an inclination angle φ (hereinafter referred to as a critical angle) of the wrinkle surface with respect to the horizontal plane when the droplets fall on the wrinkle surfaces of the sample plates S1 and S2 was measured. FIG. 7 shows the configuration of the experimental apparatus used for the fall experiment. The experimental method using the same apparatus was as follows.

まず、水平に設置した試料板のリンクル表面上に、マイクロシリンジで液滴を滴下した。その後、ウォームギアを回転させて試料板を徐々に急峻に傾けていった。傾斜角φを増加させてゆくと、最初のうちは液滴の前端が徐々に下方に伸びる一方で、後端は静止状態を保つが、液滴が転落する臨界状態では、前端及び後端が共に移動する。この臨界状態でのリンクル表面の傾斜角φが、臨界角度である。臨界状態の判別は、液滴の前端及び後端の様子をデジタルカメラで撮影し、その画像を観察することにより行った。より具体的には、ウォームギアにより傾斜角φを0.5°ずつ増加させながら、各傾斜角で30秒以上放置し、液滴の前端及び後端の移動の有無を確認した。臨界状態の判別を正確にするため、転落が認められた状況下ではさらに観察時間を延ばし、液滴が止まることなく、全体が下方に移動していることを確認した。   First, droplets were dropped with a microsyringe on the wrinkle surface of a horizontally installed sample plate. Thereafter, the sample plate was tilted gradually and steeply by rotating the worm gear. As the tilt angle φ is increased, the front end of the droplet gradually extends downward at the beginning while the rear end remains stationary, but in the critical state where the droplet falls, the front and rear ends are Move together. The inclination angle φ of the wrinkle surface in this critical state is the critical angle. The determination of the critical state was performed by photographing the front and rear ends of the droplet with a digital camera and observing the images. More specifically, while the inclination angle φ was increased by 0.5 ° with a worm gear, the liquid was left for 30 seconds or longer at each inclination angle, and the presence or absence of movement of the front and rear ends of the droplets was confirmed. In order to accurately determine the critical state, the observation time was further extended under the condition where falling was observed, and it was confirmed that the entire droplet moved downward without stopping.

臨界角度は、マイクロリンクルMLの配向方向D1が重力方向D2と平行になる向きに試料板を固定した場合と、これと直交する向きに試料板を固定した場合との2つの場合について測定した。以下、それぞれの場合の臨界角度を、φp、φoという。臨界角度φp及びφoの測定は、25μlから50μlまで5μl刻みで液滴の体積を増加させながら行い、各体積について6回測定し、その平均値を測定値とした。この測定は、試料板S2に対してのみ行った。この測定の結果を図8(b)に示す。同図中の横軸は液滴の体積を、縦軸は臨界角度φp又はφoを示している。 The critical angle was measured in two cases: a case where the sample plate was fixed in a direction in which the orientation direction D1 of the microwrinkle ML was parallel to the gravity direction D2, and a case where the sample plate was fixed in a direction orthogonal thereto. Hereinafter, the critical angles in each case are referred to as φ p and φ o . The critical angles φ p and φ o were measured while increasing the volume of the droplet in increments of 5 μl from 25 μl to 50 μl, each volume was measured 6 times, and the average value was taken as the measured value. This measurement was performed only on the sample plate S2. The result of this measurement is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the volume of the droplet, and the vertical axis indicates the critical angle φ p or φ o .

一方、臨界角度φp及びφoの理論値については、試料板S1及びS2に対して算出した。図8(a)及び(b)中の曲線は、それぞれ試料板S1及びS2に対応する臨界角度φp及びφoの理論値を示している。理論値は、以下のとおり算出した。まず、図6に戻ると、転落の臨界状態において、傾斜した固体面上の液滴には、重力と表面張力による力とが作用する。図6において、接触線C上の任意の点Aに作用する表面張力σの固体面内成分は、点Aにおける接触角θを用いて、σcosθで表される。さらに、これの転落方向成分は、σcosθ・cosτで表される。τは、図6に示すように、固体面内での接触線Cに対する法線と転落方向との為す角度である。この表面張力を接触線Cに亘って積分すると、転落方向の重力と表面張力による力との釣り合いから、次式が導かれる。ここで、右辺のρ、g及びVは,それぞれ液体の密度、重力加速度、及び液滴の体積である。
On the other hand, theoretical values of the critical angles φ p and φ o were calculated for the sample plates S1 and S2. The curves in FIGS. 8A and 8B show theoretical values of critical angles φ p and φ o corresponding to the sample plates S1 and S2, respectively. The theoretical value was calculated as follows. First, referring back to FIG. 6, in the critical state of falling, gravity and a force due to surface tension act on the droplet on the inclined solid surface. In FIG. 6, the solid in-plane component of the surface tension σ acting on an arbitrary point A on the contact line C is represented by σ cos θ using the contact angle θ at the point A. Further, the falling direction component is represented by σ cos θ · cos τ. As shown in FIG. 6, τ is an angle formed by the normal to the contact line C in the solid surface and the falling direction. When this surface tension is integrated over the contact line C, the following equation is derived from the balance between gravity in the falling direction and force due to the surface tension. Here, ρ, g, and V on the right side are the density of the liquid, the acceleration of gravity, and the volume of the droplet, respectively.

液滴が転落を開始するとき、接触線C上には、液滴の幅が最大となる位置より前方で前進接触角θA,後方で後退接触角θRが現れる。ds cosτは線素dsの水平方向の斜影であるため、cosθ・cosτ dsを最大幅より前方と後方に分けて積分すると、固体面上における液滴の最大の付着幅をbとして、それぞれがbcosθA、−bcosθRと計算される。したがって、接触線Cの形状に関わらず、数1の式は次のように書き直すことができる。
When the liquid droplet starts to fall, a forward contact angle θ A appears on the contact line C in front of the position where the width of the liquid droplet becomes maximum, and a backward contact angle θ R appears on the rear side. Since ds cosτ is a horizontal shading of the line element ds, when cos θ · cos τ ds is integrated by dividing it forward and backward from the maximum width, b is the maximum adhesion width of the droplet on the solid surface, and bcos θ A is calculated as -b cos [theta] R. Therefore, regardless of the shape of the contact line C, the formula 1 can be rewritten as follows.

本実験では、リンクル表面上に設置した液滴の幅bを測定により求め、表2の結果とともに数2の式に代入することにより、臨界角度φp及びφoの理論値を算出した。図8(b)からは、臨界角度φp及びφoの測定値と理論値とがよく一致していることが分かる。液滴がマイクロリンクルMLに垂直に転落するときの臨界角度φoは、マイクロリンクルMLに平行に転落するときの臨界角度φpよりも大きく、10°程度の異方性が確認された。 In this experiment, the theoretical value of the critical angles φ p and φ o was calculated by measuring the width b of the droplet placed on the wrinkle surface and substituting it into the formula 2 together with the results of Table 2. FIG. 8B shows that the measured values of the critical angles φ p and φ o agree well with the theoretical values. The critical angle φ o when the droplet falls vertically to the micro wrinkle ML is larger than the critical angle φ p when the droplet falls parallel to the micro wrinkle ML, and an anisotropy of about 10 ° was confirmed.

<2−4.液滴の進行方向の制御>
図8の結果は、マイクロリンクルMLの溝に垂直な向きは、溝に平行な向きよりも、ぬれ性が悪いことを示している。本実施形態に係る液滴の運動制御の原理は、このようなぬれ性の異方性に基づいて、重力によって転落する液滴の進行方向を変化させることにある。すなわち、リンクル表面上での液滴の進行方向は、マイクロリンクルMLの配向性に応じて、重力方向D2に対して曲げられる。
<2-4. Control of droplet traveling direction>
The result of FIG. 8 indicates that the wettability is worse in the direction perpendicular to the groove of the microwrinkle ML than in the direction parallel to the groove. The principle of droplet movement control according to this embodiment is to change the traveling direction of a droplet that falls by gravity based on such anisotropy of wettability. That is, the traveling direction of the droplet on the wrinkle surface is bent with respect to the gravity direction D2 according to the orientation of the micro wrinkle ML.

液滴の進行方向がマイクロリンクルMLの配向性に応じて曲がることを確認するために、再び図7の実験装置を用いて実験を行った。本実験では、臨界角度の測定時とは異なり、試料板S1及びS2の各々に対し、マイクロリンクルMLの配向方向D1が重力方向D2に対し角度α=30°、45°及び60°を為すように試料板を固定した(図9参照)。このような各角度αで試料板を設置した後、試料板の上端にマイクロシリンジで30μlの液滴を滴下した。その後、ウォームギアを回転させて試料板を徐々に傾けてゆき、リンクル表面上で液滴が停止しないよう、試料板の傾斜角φを、α=90°における臨界角度φo(理論値)より約1°大きな角度に設定した。この状態で、液滴の転落の挙動を動画撮影により観察した。そして、画像から読み取られる各時刻の液滴の上下端及び左右端の座標から液滴の中心座標を求め、液滴の運動の軌跡を求めた。液滴の軌跡の測定は、αごとに3回行い、その平均値を測定値とした。 In order to confirm that the traveling direction of the droplet bends according to the orientation of the microwrinkle ML, an experiment was performed again using the experimental apparatus of FIG. In this experiment, unlike the measurement of the critical angle, for each of the sample plates S1 and S2, the orientation direction D1 of the microwrinkle ML makes an angle α = 30 °, 45 ° and 60 ° with respect to the gravity direction D2. The sample plate was fixed to (see FIG. 9). After setting the sample plate at each angle α, 30 μl of a droplet was dropped onto the upper end of the sample plate with a microsyringe. Thereafter, the sample plate is gradually tilted by rotating the worm gear so that the droplet tilt angle φ is less than the critical angle φ o (theoretical value) at α = 90 ° so that the droplet does not stop on the wrinkle surface. The angle was set to 1 ° larger. In this state, the movement behavior of the droplets was observed by moving image shooting. Then, the center coordinates of the droplet were obtained from the coordinates of the upper and lower ends and the left and right ends of the droplet at each time read from the image, and the locus of the movement of the droplet was obtained. The droplet trajectory was measured three times for each α, and the average value was taken as the measured value.

試料板S1及びS2に対し測定された液滴の軌跡を、それぞれ図10(a)及び(b)に示す。ここでの縦軸yは、重力方向D2の座標を示し、横軸xは、水平方向の座標を示す。図10(a)に示すとおり、試料板S1では、全てのαの条件において、液滴が重力方向D2から一定の方向に傾いて転落する挙動が観察された。また、図10(b)に示すとおり、試料板S2でも、全てのαの条件において、液滴が重力方向D2から一定の方向に傾いて転落する挙動が観察された。ただし、既に述べた通り、表面粗さRa及び最大高さRzは、試料板S2の方が試料板S1よりも大きい。そのため、試料板S2上での方が、より顕著にマイクロリンクルMLの接触角θの異方性(すなわち、ぬれ性の異方性)の影響を受けて、液滴が連続的に水平方向にずれながら転落し、その進行方向が曲がった。本実験では、図10のとおり、マイクロリンクルの接触角θの異方性により、液滴の転落方向を重力方向D2から最大12°程度傾けて連続的に転落させることができた。また、試料板S1及びS2に対する結果を比較すると、試料板に与える延伸ひずみを大きくすれば、液滴の転落方向を重力方向D2から傾ける効果が大きくなると予想される。   The droplet trajectories measured for the sample plates S1 and S2 are shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), respectively. Here, the vertical axis y indicates the coordinate in the gravity direction D2, and the horizontal axis x indicates the coordinate in the horizontal direction. As shown in FIG. 10 (a), in the sample plate S1, a behavior was observed in which the droplets tumbled in a constant direction from the gravity direction D2 under all the conditions of α. Further, as shown in FIG. 10 (b), even in the sample plate S2, a behavior in which the liquid droplet falls down in a certain direction from the gravity direction D2 was observed under all the conditions of α. However, as already described, the surface roughness Ra and the maximum height Rz are larger in the sample plate S2 than in the sample plate S1. Therefore, on the sample plate S2, the droplets are more significantly affected by the anisotropy (that is, the wettability anisotropy) of the contact angle θ of the microwrinkle ML, so that the liquid droplets are continuously in the horizontal direction. Falling down, the direction of travel was bent. In this experiment, as shown in FIG. 10, due to the anisotropy of the contact angle θ of the micro wrinkle, it was possible to continuously drop the droplets by inclining the falling direction of the droplets by about 12 ° from the gravity direction D2. Further, comparing the results for the sample plates S1 and S2, it is expected that the effect of tilting the falling direction of the droplet from the gravity direction D2 will be increased if the stretching strain applied to the sample plate is increased.

<3.液滴の運動制御方法>
以上の原理に基づく、液滴の運動制御方法について説明する。まず、運動制御装置1を用意する。そして、表面3(リンクル表面)が水平面に対して所定の傾斜角φで傾くように、部材2を配置する。また、このとき、表面3上において、マイクロリンクルMLの配向方向D1が重力方向D2に対して所定の角度αを為すように、部材2を配置する。なお、このときの傾斜角φと、マイクロリンクルMLの角度αとは、表面3上での所望の液滴の進行方向に合わせて、予め実験又は理論により設定されている。そして、この状態で、表面3上の所定の位置に所定の液滴を滴下する。これにより、液滴は、重力により配向方向D1及び傾斜角φに応じて定まる一定の進行方向に移動させられる。この方法によれば、マイクロリンクルMLにより表面3上での液滴の進行方向を所望のとおりに制御することができる。
<3. Droplet Motion Control Method>
A droplet motion control method based on the above principle will be described. First, the motion control device 1 is prepared. And the member 2 is arrange | positioned so that the surface 3 (wrinkle surface) may incline with the predetermined | prescribed inclination | tilt angle (phi) with respect to a horizontal surface. At this time, the member 2 is arranged on the surface 3 so that the orientation direction D1 of the microwrinkle ML makes a predetermined angle α with respect to the gravity direction D2. At this time, the inclination angle φ and the angle α of the microwrinkle ML are set in advance by experiment or theory in accordance with the desired traveling direction of the droplet on the surface 3. In this state, a predetermined droplet is dropped at a predetermined position on the surface 3. As a result, the droplet is moved in a constant traveling direction determined according to the orientation direction D1 and the inclination angle φ by gravity. According to this method, the traveling direction of the droplet on the surface 3 can be controlled as desired by the micro wrinkle ML.

<4.用途>
以上の原理に基づく運動制御装置は、微小の系において液体の進行方向の制御が必要となる様々な場面において利用することができ、例えば、ラボオンチップやマイクロリアクター等と呼ばれるマイクロ流体デバイスに適用することができる。
<4. Application>
The motion control device based on the above principle can be used in various scenes where the liquid traveling direction needs to be controlled in a minute system. For example, it can be applied to a microfluidic device called a lab-on-chip or a microreactor. can do.

<5.変形例>
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。
<5. Modification>
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, the following changes can be made.

<5−1>
上記実施形態では、マイクロリンクルMLは、直線状の配向性を有するストライプパターンであったが、マイクロリンクルMLの配向パターンはこれに限られない。配向パターンを様々に変化させることにより、液滴の進行方向を様々に変化させ、より複雑な液滴の移動経路を形成することができる。
<5-1>
In the above embodiment, the micro wrinkle ML is a stripe pattern having a linear orientation, but the orientation pattern of the micro wrinkle ML is not limited to this. By changing the orientation pattern in various ways, it is possible to change the traveling direction of the droplets in various ways and to form more complicated droplet movement paths.

<5−2>
上記実施形態では、液滴には、重力のみが駆動力として与えられた。しかしながら、重力に代えて又は加えて、温度差、電場、磁場、光化学反応等の作用により液滴に駆動力を与えてもよい。
<5-2>
In the above embodiment, only the gravity is given to the droplet as a driving force. However, instead of or in addition to gravity, a driving force may be applied to the droplet by an action such as a temperature difference, an electric field, a magnetic field, or a photochemical reaction.

1 運動制御装置
2 部材
3 表面(リンクル表面)
ML マイクロリンクル
D1 重力方向(鉛直方向をリンクル表面に投影した方向)
D2 マイクロリンクルの配向方向
φ リンクル表面の傾斜角
1 motion control device 2 member 3 surface (wrinkle surface)
ML Micro Wrinkle D1 Gravity direction (direction in which the vertical direction is projected onto the wrinkle surface)
D2 Micro wrinkle orientation direction φ Wrinkle surface tilt angle

Claims (5)

液滴の運動制御方法であって、
配向性を有する多数のマイクロリンクルが形成された表面を有する部材を用意することと、
前記表面上で、前記液滴を前記配向性に応じて定まる一定の進行方向に移動させることと
を含む、
液滴の運動制御方法。
A droplet movement control method comprising:
Providing a member having a surface on which a number of microwrinkles having orientation are formed;
Moving the droplets on the surface in a certain traveling direction determined according to the orientation,
Droplet motion control method.
前記部材を用意することは、前記表面が水平面に対して傾くように前記部材を配置することを含み、
前記液滴を移動させることは、前記表面上で、前記液滴に重力による駆動力を作用させ、前記進行方向に移動させることを含む、
請求項1に記載の液滴の運動制御方法。
Providing the member includes arranging the member such that the surface is inclined with respect to a horizontal plane;
Moving the droplet includes moving the droplet in the traveling direction by applying a driving force by gravity to the droplet on the surface;
The droplet movement control method according to claim 1.
前記駆動力は、重力のみである、
請求項2に記載の液滴の運動制御方法。
The driving force is only gravity,
The droplet movement control method according to claim 2.
前記部材を用意することは、前記表面上で、前記液滴に駆動力が作用する方向に対して前記配向性が示す方向が為す角度が、0°より大きく90°未満となるように前記部材を配置することを含む、
請求項1から3のいずれかに記載の液滴の運動制御方法。
The member is prepared so that an angle formed by a direction indicated by the orientation with respect to a direction in which a driving force acts on the droplet is greater than 0 ° and less than 90 ° on the surface. Including placing
The droplet movement control method according to claim 1.
液滴の運動制御装置であって、
配向性を有する多数のマイクロリンクルが形成された表面を有する部材
を備え、
前記液滴は、前記表面上で、前記配向性に応じて定まる一定の進行方向に移動させられる、
液滴の運動制御装置。
A droplet motion control device comprising:
A member having a surface on which a number of microwrinkles having orientation are formed;
The droplet is moved on the surface in a certain traveling direction determined according to the orientation.
Droplet motion control device.
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