JP2020082027A - 液滴収集デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】液滴を効果的に収集できる階層的枝分かれ構造を有する液滴収集デバイスの提供。【解決手段】液滴収集デバイス１は、疎水性表面３を有する基板２を備え、疎水性表面３内には親水性流路４が設けられている。親水性流路４は、起点から放射状に延び、起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備えた第１世代の流路と、第１世代の流路よりも大きさが縮小された第２世代の流路とを備え、第２世代の流路は第１世代の流路と同じ向きで第１世代の流路と連結し、第２世代の流路のテーパ状流路部の一つが、第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端部と重なっており、第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの基端から、第２世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端まで、親水性流路が単調に先細りする。【選択図】図１

Description

本発明は、液滴収集デバイスに関する。
水蒸気や微小な水滴からの水の回収は、乾燥地での水の確保や、微量の分析対象溶液の回収などに有用である。濡れ性の表面処理を施した基板を用いた水蒸気の凝集や水滴の回収機構が開発されてきた。しかしこれまでは、凝集した液滴を広範囲から一箇所に集める手段は、重力による液滴の落下に限られていた。
近年、液体の動きを基板表面上で制御するopen microfluidicsの研究が進められており、超疎水性基板表面上に超親水性の細長い帯状の部位を紫外光照射によりパターニングして流路の両端で幅に勾配を持つ開放型流路を作製することで、流路の幅の細い部分から太い部分へと液滴を高速に輸送可能であることが示されている（非特許文献１，２）。
本発明者らは、超疎水化した基板表面上に、親水性が高く、流路幅の勾配を持たせた流路を形成し、液体が流路幅の広い方向へと一箇所のセンサー部分まで高速に輸送されるマイクロ流路デバイスを作製した（非特許文献３）。
さらに、本発明者らは、超疎水化した基板表面上に、階層的なフラクタル枝分かれ構造（空間充填木）を有する超親水性流路を作製し、その液滴収集性能について評価した（非特許文献４）。このフラクタル枝分かれ構造のパターンの流路を有するデバイスは基板表面全体から水滴を集めるのに有効であったが、パターンの形状と液滴の収集能力については検討の余地があった。
Lab Chip. 2014; 14(9):1538-1550 ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017 9(34), p.29248-29254 化学とマイクロ・ナノシステム学会第35回研究会（２０１７） 要旨集 第２７回日本MRS年次大会（２０１７）要旨集
本発明が解決すべき課題は、広い面積の液滴を能動的に輸送して効率的に収集することができる、階層的に枝分かれする親水性の流路を備えた液滴収集デバイスを提供することにある。
本発明は、以下の項に記載の主題を包含する。
項１．疎水性表面を有する基板を備え、該疎水性表面内に親水性流路が設けられた液滴収集デバイスであって、前記親水性流路は、
起点から放射状に延び、起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備えた第１世代の流路と、
起点から放射状に延び、起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備え、かつ第１世代の流路よりも大きさが縮小された第２世代の流路とを備え、
前記第２世代の流路は第１世代の流路と同じ向きで前記第１世代の流路と連結し、
前記第２世代の流路のテーパ状流路部の一つが、前記第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端部と重なっており、前記第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの基端から、前記第２世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端まで、親水性流路が単調に先細りする、液滴収集デバイス。
項２．第２世代の流路の形状は第１世代の流路の形状と略同一である項１に記載の液滴収集デバイス。
項３．第１世代の流路の複数のテーパ状流路部の各々に第２世代の流路が連結し、複数の下降する世代の流路を通じて縮小された流路が繰り返されるフラクタル構造を有する項１又は２に記載の液滴収集デバイス。
項４．前記フラクタル構造の第１世代から数えた世代の数が２〜９である項３に記載の液体収集デバイス。
項５．前記第１テーパ状流路部のテーパ角度が２〜９°である項１〜４のいずれかに記載の液体収集デバイス。
項６．前記第１世代の流路の複数のテーパ状流路部が３個又は４個テーパ状流路部である項１〜５のいずれかに記載の液体収集デバイス。
項７．第１世代の流路の複数のテーパ状流路部が３個であり、第１世代の流路の起点と第２世代の流路の起点とが重なるように、かつ前記１世代の流路と１８０°回転対称な向きに、前記第２世代の流路がさらに設けられている項１〜５のいずれかに記載の液体収集デバイス。
項８．前記親水性流路が、ｎ角形の領域（ｎ≧４）を構成し、ｎ角形の頂点の一つである起点と前記ｎ角形の他の頂点とを結ぶ仮想線分により前記ｎ角形の領域ｎ−２個の三角形の領域に分割され、
前記三角形の領域の各々において、前記起点から分岐して各三角形の領域内の各々を通るｎ−２個の流路部が、前記第１世代の流路の３つの流路部のうちの一つを形成し、各第１世代の流路の３つの流路部のそれぞれに前記第２世代の流路が連結する項１に記載の液体収集デバイス。
項９．前記親水性流路が、ｎ角形の領域（ｎ≧３）を構成し、該ｎ角形の領域に存在する起点と前記ｎ角形の頂点とを結ぶ仮想線分によりｎ個の三角形の領域に分割され、
前記三角形の領域の各々において、前記起点から分岐して前記ｎ個の三角形の領域内の各々を通るｎ個の流路が、前記第１世代の流路の３つの流路のうちの一つを形成し、各第１世代の流路の３つの流路のそれぞれに第２世代の流路が連結する項１に記載の液体収集デバイス。
本発明によれば、基板表面上の液滴を能動的に、かつ、より効率的に収集することが可能となる。
本発明の第１実施形態の液滴収集デバイスを示す略斜視図。 基板表面上の親水性流路の階層的枝分かれの構造的パターンを示す、液滴収集デバイスの拡大平面図。 図２の構造的パターンの一単位を示す部分拡大平面図。 図２の液滴収集デバイスの底面図。 図２の液滴収集デバイスの正面図。 図２の液滴収集デバイスの右側面図。 図２の液滴収集デバイスの親水性流路の第１世代と第２世代の基本構造を示す部分拡大図。 親水性流路における水滴の移動方向を説明する略図。 第２世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の略図。 第３世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の略図。 第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の略図。 本発明の第２実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路を示す略平面図。（Ａ）第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の略平面図。（Ｂ）第６世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の略平面図。 （Ａ）本発明の第３実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路を示す略平面図。（Ｂ）図１３（Ａ）の親水性流路をより詳しく説明した図。 （Ａ）本発明の第４実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路を示す略平面図。（Ｂ）図１４（Ａ）の親水性流路をより詳しく説明した図。 （Ａ）テーパ状流路部のテーパ角度を説明する略図。（Ｂ）テーパ角度が１°の場合の親水性流路の階層構造の略図。（Ｃ）テーパ角度が５°の場合の親水性流路の階層構造の略図。 実施例の空間充填木の形状の超親水性流路を備えた液滴収集デバイスの模式図。左下のスケールバーは５ｍｍである。 図１６の液滴収集デバイスに噴霧した水滴が第１世代の流路の中心とその周囲に集積する様子を示す高速顕微鏡スナップ写真。（Ａ）噴霧後１．１秒までの、水滴が噴霧されたフィルム全体の概観を示す。（Ｂ）噴霧後０．９５秒までの、水滴が噴霧されたフィルムの部分拡大斜視図を示す。スケールバーは（Ａ）で５ｍｍ、（Ｂ）で５ｍｍである。 （Ａ）流路の世代数と水滴収集性能との関係を示す写真、（Ｂ）グラフ。 （Ａ）流路のテーパ状流路部のテーパ角度と水滴収集性能との関係を示す写真、（Ｂ）グラフ。
本明細書において、「超疎水性」とは、水の接触角が１５０°以上の場合を指す。「疎水性」とは、水の接触角が９０°以上の場合を指す。「親水性」とは、水の接触角が９０°未満の場合を指す。「超親水性」とは、水の接触角が１０°以下の場合を指す。「疎水性」は「超疎水性」の概念を含み、「親水性」は「超親水性」の概念を含む。
接触角は、JISR3257の静滴法に従い測定した。液滴の画像を取得し、得られた画像から液滴の輪郭形状を解析して算出した。
「液滴」とは、水滴、媒質が溶解した水溶液の滴、又は媒質が分散された水性分散液の滴を指す。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１に示されるように、本発明の第１実施形態の液滴収集デバイス１は、疎水性表面３を有する基板２を備え、該疎水性表面３内には親水性流路４が設けられている。
基板２は平板状の部材であり、フィルムまたはシートであることができる。なお、「フィルム」とは２００μｍ以下の厚さの層状物を指し、「シート」はそれよりも厚いものを指す。
基板２の材料は特に限定されず、合成樹脂、ゴム、ガラス、シリコン、金属、液滴が浸透しない他の材料等であってよい。柔軟性の点から、基板２は合成樹脂を含むことが好ましく、合成樹脂であることがより好ましい。合成樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。
基板２の長さＬ、幅Ｗ、厚みＴは特に限定されないが、本実施形態ではそれぞれ2ｍｍ〜100ｍｍ、2ｍｍ〜100ｍｍ、及び0.01ｍｍ〜1ｍｍ程度とする。
疎水性表面３は、基板２の表面に形成された疎水性コーティングから構成されている。疎水性コーティングは、基板２の上に、噴霧、ローラー、ハケ等の塗装手段により疎水性物質又は疎水性物質を含有する分散液を塗装し、塗膜を乾燥させることにより形成することができる。
親水性流路４内の疎水性表面３は公知のいかなる方法により形成することもできる。例えば酸化チタン（ＴｉＯ2）に光を照射すると酸化チタンの表面が超親水性に変換される性質を利用して、酸化チタンを含むコーティングにより形成された疎水性表面３を、親水性流路４に対応するよう予め設計されたフォトマスクを通じて紫外線照射し、超親水性化された親水性流路４を形成することもでき、この方法は簡便性及び迅速性の点で有利である。この親水性流路４は、肉眼でもわずかに観察することができるが、光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡による拡大によって疎水性表面３とは区別してより明瞭に観察することができる。或いは、親水性流路４は、シリコン基板等の疎水性表面３に化学蒸着法により親水性の酸化膜（ＳｉＯ2）を成膜することにより形成することもできる。
図２は、図１の液滴収集デバイスの拡大平面図であり、親水性流路４の階層的枝分かれの構造的パターンがより詳細に示されている。図３は図２の構造的パターンのうちの一単位（特には左上の実線で一単位）を示した部分拡大図である。図４は図２の液滴収集デバイスの底面図である。図５は図２の液滴収集デバイスの正面図であり、背面図は正面図と同じであるため省略する。図６は図２の液滴収集デバイスの右側面図であり、左側面図は右側面図と同じであるため省略する。
図７は、図２の液滴収集デバイスの親水性流路４の第１世代と第２世代の基本構造を示す部分拡大図である。
親水性流路４は、第１世代の流路１０と、第２世代の流路２０とを備えている。第１世代の流路１０は、流路１０の中心でもある起点１２から放射状に延び、起点１２から離れるにつれて単調に先細りする３個のテーパ状流路部１４を備えている。３個のテーパ状流路部１４は互いに等間隔に中心角１２０°で配置されている。第２世代の流路２０も、中心２２から放射状に延び、流路２０の中心でもある起点２２から離れるにつれて単調に先細りする３個のテーパ状流路部２４を備えている。第２世代の流路２０の形状は、第１世代１０の流路と略同一形状であり、かつ第１世代の流路よりも大きさが縮小されている。第１世代１０の流路に対する第２世代の流路２０の縮尺率は２０〜８０％であることが好ましく、３０〜７０％であることがより好ましく、４０〜６０％であることが最も好ましい。なお、略同一形状とは、設計上不可避な誤差がある場合も含むことを意味する。また、単調に先細りするとは、途中で幅が増加することがなく直線的に先細りすることを指す。
第１世代の流路１０を、３個のテーパ状流路部１４を結ぶ正三角形と捉えた場合、本実施形態では、該正三角形の一辺の長さは２〜１００ｍｍ程度である。また、第２世代の流路２０を、３個のテーパ状流路部２４を結ぶ正三角形と捉えた場合、本実施形態では、該正三角形の一辺の長さは２〜１００ｍｍ程度である。
３個の第２世代の流路２０は、第１世代の流路１０と同じ向きで第１世代１０の流路１０と連結している。また、第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の一つが、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４の一つの先端部１６と重なっており、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４の一つの基端１８から、第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の一つの先端２６まで単調に先細りしている。第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の一つが、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４の一つの先端部１６と重なっているとは、第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の一つが第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４の一つの先端部１６を構成しているという意味であり、第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の一つが、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４の一つの先端部１６を兼ねていると言うこともできる。
図８により詳しく示すように、親水性流路４における水滴６は、より幅が細い第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４から、矢印で示すように、より幅が広い第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４へ向かって移動し、さらには第１世代の流路１０の起点１２へ向かう。
このように、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４と第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４とが連結し、単調に先細りする構成となっているため、液滴がより効率的に収集される。収集された液滴は、起点１２を含む第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４が合流する合流部１８に溜まっていく。
本発明の第１実施形態の液滴収集デバイスは第４世代までの下降する世代の流路が繰り返された、空間充填木構造である開放型流路を有する。このため、第２世代、第３世代、及び第４世代の流路の構成についてより詳しく説明する。なお、空間充填木とは、図形の一部として図形全体と相似な形を含む図形を表すフラクタルのうち、階層的に下降する世代へと枝分かれする構造を指す。
図９は、第２世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の部分を略図で示したものである。第１世代の流路１０の３個のテーパ状流路部１４の各々には、第２世代の流路２０が第１世代の流路１０と同じ向きで第１世代の流路１０に連結している。このため、第１世代の流路１０の３個のテーパ状流路部１４の各々は、さらに第２世代の流路２０の３個のテーパ状流路部２４に枝分かれする。
さらに、第１世代の流路１０の起点１２と第２世代の流路２０の起点２２とが重なるように、かつ１世代の流路１０と１８０°回転対称な向きにも、第２世代の流路２０’が設けられている。第２世代の流路２０’も第２世代の流路であるが、理解を助けるために符号「２０’」を付している。この場所にも第２世代の流路２０’を設けることで、基板２上の一定の面積内に、より緻密に親水性流路４を設けることができ、液滴を第１世代の流路１０の起点１２に向かってより効率的に収集することができる。
図１０は、第３世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の部分を略図で示したものである。第１世代の流路１０及び第２世代の流路２０，２０’の構成は図９と同じである。
４個の第２世代の流路２０，２０’のそれぞれと３つずつ、１２個の第３世代の流路３０が連結しており、各第３世代の流路３０の向きは、それが連結している第２世代の流路２０，２０’と同じ向きと同じである。また、第３世代の流路３０のテーパ状流路部３４の一つが、第２世代の流路２０，２０’のテーパ状流路部２４の一つの先端部２６と重なっており、第２世代の流路２０，２０’のテーパ状流路部２４の一つの基端２８から、第３世代の流路３０のテーパ状流路部３４の一つの先端３６まで単調に先細りしている。「重なっている」の意味については、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４と第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の重なりについて上述した通りである。
さらに、第２世代の流路２０の起点２２と第３世代の流路３０’の中心である起点３２とが重なるように、かつ第２世代の流路２０と１８０°回転対称な向きにも、第３世代の流路３０’が設けられている。第３世代の流路３０’も第３世代の流路であるが、理解を助けるために符号「３０’」を付している。この場所にも第３世代の流路３０’を設けることで、基板２上の一定の面積内に、より緻密に親水性流路４を設けることができ、液滴を第１世代の流路１０の起点１２に向かってより効率的に収集することができる。なお、第２世代の流路２０’と１８０°回転対称な向きに第３世代の流路３０’を設けても、第１世代の流路１０と完全に重なるため図示していない。
図１１は、第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路の部分を略図で示したものである。第１世代の流路１０、第２世代の流路２０，２０’、及び第３の流路３０，３０’の構成は図１０と同じである。
１６個の第３世代の流路３０，３０’のそれぞれと３つずつ、４８個の第４世代の流路４０が連結しており、各第４世代の流路４０の向きは、それが連結している第３世代の流路３０，３０’と同じ向きと同じである。また、第４世代の流路４０のテーパ状流路部４４の一つが、第３世代の流路３０，３０’のテーパ状流路部３４の一つの先端部３６と重なっており、第３世代の流路３０，３０’のテーパ状流路部３４の一つの基端３８から、第４世代の流路４０のテーパ状流路部４４の一つの先端４６まで単調に先細りしている。「重なっている」の意味については、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４と第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４の重なりについて上述した通りである。
さらに、第３世代の流路３０の中心でもある起点３２と第４世代の流路４０の中心でもある起点４２とが重なるように、かつ第３世代の流路３０と１８０°回転対称な向きにも、第４世代の流路４０’が設けられている。第４世代の流路４０’も第４世代の流路であるが、理解を助けるために符号「４０’」を付している。この場所にも第４世代の流路４０’を設けることで、基板２上の一定の面積内に、より緻密に親水性流路４を設けることができ、液滴を第１世代の流路１０の起点１２に向かってより効率的に収集することができる。なお、図では、第２世代の流路２０’と１８０°回転対称な向きに第３世代の流路を設けた場合に、第３世代の流路と連結する位置にも３つの第４世代の流路４０”を設けている。
このように、本発明の第１実施形態の液滴収集デバイスは、第４世代までの下降する世代の流路が繰り返されたフラクタル構造の開放型流路を備えている。また、該疎水性表面３内には複数の第１世代の流路１０が設けられ、これに対して第４世代までの下降する世代の流路が繰り返され、親水性流路４を構成する。このため、液滴を第１世代の流路１０に向かって効率良く収集することができる。なお、液滴収集効率及び設計上の実現性の観点から、疎水性表面３内の親水性流路４は疎水性表面３の面積に対して面積比で１０〜６０％とすることが好ましい。
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路について説明する。第１実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路と同じ符号については説明を省略する。
図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示された第２実施形態の親水性流路４は、図３に示した第１実施形態の親水性流路と同様の、構造的パターンの一単位である。図１２（Ａ）は第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路を示し、図１２（Ｂ）は第６世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路を示す。
図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、各流路１０，２０・・・は、その起点から放射状に延びる４個のテーパ状流路部１４，２４・・・を備える。第２世代の流路２０の形状は、第１世代の流路１０と略同一形状であり、かつ第１世代の流路１０よりも大きさが縮小されている。第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４と第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４とが連結し、単調に先細りする構成となっている。４個のテーパ状流路部１４，２４・・・は互いに等間隔に中心角約９０°で配置されている。第２世代の流路２０の形状は、第１世代１０の流路と略同一形状であり、かつ第１世代の流路よりも大きさが縮小されている。
このような構成により、液滴を第１世代の流路１０の起点１２に向かって効率的に収集することができる。
第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路について説明する。第１実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路と同じ符号については説明を省略する。
図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示された第３実施形態の親水性流路４は、５角形の構造的パターンの一単位であり、第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路を示す。テーパ状流路部のテーパー角は３°とする。
第３実施形態の液滴収集デバイスでは、任意のｎ角形領域（ｎ≧４）に対して、起点から分岐する最初の流路の分岐数がｎ−２であり、次の世代以降の分岐数は３つである。
具体的には、図１３（Ｂ）を参照にしながらより詳しく説明すると、点線で示した５角形領域Ｒの頂点の一つである起点Ｐから他の頂点へ向かって線分を引くと、（５−３）本の線分Ｌ１，Ｌ２を引くことができる。そして、これらの線分Ｌ１，Ｌ２により領域Ｒは３個の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に分けられ、各領域内に起点Ｐから分岐した３つのテーパー状流路部１１４がそれぞれが延びる。
テーパー状流路部１１４と、これと連結し、かつ三角形の頂点に向かって先細りするテーパ状流路部１１６，１１８とが第１世代の流路を構成するとみなすと、３個の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３内のそれぞれで、第１実施形態と同様に、第１世代の流路が、第２世代の流路、第３世代の流路、及び第４世代の流路に枝分かれし、第２世代の流路以降の流路のテーパ状流路部の数は３となる。本実施形態では、液滴は、第１世代の流路の起点Ｐに向かって効率的に収集することができる。
上記規則性を５角形を含む一般的な多角形に適用すると、任意のｎ角形（ｎ≧４）は、そのｎ角形の頂点である起点Ｐを共有するｎ−２個の三角形に分割できるため、最初の流路の分岐数がｎ−２個となり、次の世代以降の流路は分割された三角形内に延びるため、分岐数は３つとなる。第３実施形態では、領域を一度三角形に分割すれば（たとえ正三角形でなくても）、その中に空間充填木を作ることが可能という性質を利用している。
第３の実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路４は、任意のｎ角形領域（ｎ≧４）が、ｎ角形の頂点の一つである起点と前記ｎ角形の他の頂点とを結ぶ仮想線分（Ｌ１，Ｌ２）によりｎ−２個の三角形の領域に分割され、該三角形の領域の各々において、起点から分岐して各三角形の領域内の各々を通るｎ−２個の流路部（特には起点に向かって幅が広がるテーパ状流路部）が、第１世代の流路の起点から放射状に延びる第１世代の流路の３つの流路部のうちの一つを形成し、各第１世代の流路の３つの流路部のそれぞれに第２世代の流路が連結し、さらに第ｎ世代までの下降する世代の流路が繰り返された親水性流路と考えることもできる。上記各三角形の領域内の各々を通るｎ−２個の流路部以外の各第１世代の流路の３つの流路部は、第１世代の起点から離れるにつれて単調に先細りするテーパ状流路部であることが好ましい。
第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路について説明する。第１実施形態の液滴収集デバイスと同じ符号については説明を省略する。
図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示された第４実施形態の親水性流路４は、正６角形の構造的パターンの一単位であり、第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路を示す。テーパ状流路部のテーパー角は３°とする。
第４実施形態の液滴収集デバイスでは、任意のｎ角形領域（ｎ≧３）に対して、該ｎ角形領域の内部に存在する起点から分岐する最初の流路の分岐数がｎであり、次の世代以降の分岐数は３つである。流路の分岐数はテーパ状流路部の数と言うこともできる。
具体的には、図１４（Ｂ）を参照にしながらより詳しく説明すると、点線で示した正６角形領域Ｒの中心でもある起点Ｑから他の頂点へ向かって線分を引くと、６本の線分Ｌ１〜Ｌ６を引くことができる。そして、これらの線分Ｌ１〜Ｌ６により領域Ｒは６個の領域Ｒ１〜Ｒ６に分けられ、各領域内に起点Ｑから分岐した６つのテーパー状流路２１４がそれぞれが延びる。
テーパー状流路２１４と、これと連結し、かつ三角形の頂点に向かって先細りするテーパ状流路２１６，２１８とが第１世代の流路を構成するとみなすと、６個の領域Ｒ１〜Ｒ６内のそれぞれで、第１世代の流路から、第２世代の流路、第３世代の流路、及び第３世代の流路が第１実施形態と同様に枝分かれして形成され、第２世代の流路以降の流路のテーパ状流路部の数は３となる。本実施形態では、液滴は、第１世代の流路の起点Ｑに向かって効率的に収集することができる。
上記規則性を６角形を含む一般的な多角形に適用すると、任意のｎ角形（ｎ≧３）は、その内部に存在する任意の１点Ｑを頂点として共有するｎ個の三角形で分割できるため、最初の流路の分岐数がｎとなり、次の世代以降の流路は分割された三角形内に延びるため、分岐数は３つとなる。第４実施形態も、領域を一度三角形に分割すれば（たとえ正三角形でなくても）、その中に空間充填木を作ることが可能という性質を利用している。
第４の実施形態の液滴収集デバイスの親水性流路４は、任意のｎ角形領域（ｎ≧３）が、該ｎ角形の内部に存在する起点と前記ｎ角形の頂点とを結ぶ仮想線分（Ｌ１〜６）によりｎ個の三角形の領域に分割され、起点から分岐してｎ個の三角形の領域内の各々を通るｎ個の流路部（特には起点に向かって幅が広がるテーパ状流路部）が、第１世代の流路の３つの流路のうちの一つを形成し、各第１世代の流路の３つの流路のそれぞれに第２世代の流路が連結し、さらに第ｎ世代までの下降する世代の流路が繰り返された親水性流路と考えることもできる。上記ｎ個の三角形の領域内の各々を通るｎ個の流路部以外の各第１世代の流路の３つの流路部は、第１世代の流路の起点から離れるにつれて単調に先細りするテーパ状流路部であることが好ましい。
ここまで、本発明を第１〜４実施形態を例にとって説明してきたが、本発明はこれに限られず、以下のような種々の変形が可能である。
・上記第１〜４実施形態の液滴収集デバイスは、第４世代又は第６世代までの下降する世代の流路が繰り返されたフラクタル構造を有していたが、第ｎ世代（ｎは２以上の整数）までの下降する世代の流路が繰り返されたフラクタル構造としてもよい。例えば、液滴収集デバイスにおけるフラクタル構造の第１世代から数えた流路の世代数は図９に示すような第２世代であることもできるし、図１０に示すような第３世代であることもできるし、第５世代以上（非図示）であることもできる。液滴の収集量は第８世代までは単調に増加するため、フラクタル構造の第１世代から数えた世代数は２〜９であることが好ましく、３〜８であることがより好ましい。
・第１実施形態では第１世代の流路１０の複数のテーパ状流路部１４が３個であり、第２実施形態では第１世代の流路１０の複数のテーパ状流路部１４が４個であったが、第１世代の流路１０の複数のテーパ状流路部１４の数はｎ個とし（ｎは２以上）、また、第１世代の流路１０の複数のテーパ状流路部１４にはそれに対応してｎ個の第２世代の流路２０が連結する構成とすることもできる。さらに第２世代の流路２０と第３世代の流路３０も、１個の第２世代の流路２０にｎ個の第３世代の流路３０が連結し、複数の下降する世代の流路を通じそのような構成が繰り返されてもよい。
・第１〜４実施形態のテーパ状流路部のテーパ角度（開き角とも言う）は適宜変更可能である。図１５（Ａ）において、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４のテーパ角度をαとする。図１５（Ｂ）は各世代（つまり全世代）の流路のテーパ状流路部のテーパ角度が１°の場合の親水性流路の構造を示し、図１５（Ｃ）は各世代（つまり全世代）の流路のテーパ状流路部のテーパ角度が５°の場合の親水性流路の構造を示す。
・第１実施形態及び第２実施形態では、第１世代の流路１０と第２世代の流路２０を略同一形状としているが、異なる形状であってもよい。第３世代の流路３０の形状も、第２世代の流路２０の形状と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
テーパ角度αが小さいと、ラプラス圧が不十分となり、液滴の輸送能が低く、テーパ状流路部１４の途中に液滴が残る場合がある。テーパ角度αが大きいと、テーパ状流路部１４の流路が太くなるため、テーパ状流路部１４の途中に液滴が残る場合がある。
このため、第１世代の流路１０のテーパ状流路部１４のテーパ角度αは１〜１０°であることが好ましく、２〜９°であることがより好ましい。第２世代の流路２０は第１世代の流路１０と形状が略同一であるため、第２世代の流路２０のテーパ状流路部２４のテーパ角度も１〜１０°であることが好ましく、２〜９°であることがより好ましい。このような構成により、液滴がより効率的に収集される。
本発明の液滴収集デバイスは、水蒸気、雨、汗等の収集の目的に限らず、高分子ファイバーの配向制御や細胞集団の走化性制御等へも応用することができる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
実施例１ 液滴収集デバイスの製作及び水滴収集能の評価
（方法）
ポリエチレンテレフタレート（PET）のフィルム表面に、酸化チタンとCapstone(R) ST-100とを含有するエタノール混合分散液を噴霧して乾燥させ、疎水性コーティングを得た。その後、疎水性コーティングの膜厚を段差計で評価した。疎水性コーティングに紫外光を照射する前後で接触角を測定することで親水性の評価を行った。さらに、液滴収集デバイスの親水性流路に対応する空間充填木構造のネガ型フォトマスクを作製し、紫外線を照射し、超親水性の開放型流路をパターニングした。
作製した開放型流路に対し、スプレーノズルで水滴を噴霧した後、光学顕微鏡および3D形状測定機（Keyence VR-3000）によって基板上の液滴の形状・分布を観察し、基板中心（半径2 mmの円内）に集積した液体の体積を測定した。
さらに、流路の世代数と、テーパ状流路のテーパ角度とを変化させて、水滴の収集を観察した。
（結果）
厚さ16.7±2.8 μmの疎水性コーティングが形成された。そして、疎水性コーティングへの紫外光照射前後で、水滴の接触角が156°から7°に変化し、このコーティングによる基板への超疎水表面の形成と、紫外光照射による表面の超親水化が示された。
フォトマスクを通して超疎水性フィルム上に紫外光照射することで、幅に勾配を有する第１世代から第６世代まで枝分かれした空間充填木の形状に超親水性流路をパターニングした。各流路部のテーパ角度を5°とした。図１６はかかる空間充填木の模式図であり、理解を容易にするため親水性流路４０の部分を色分けしている。超親水性流路に水滴をスプレーノズルで噴霧したところ、水滴がパターン全体から第１世代の流路の中心とその周囲に1秒以内に集積する様子が見られた(図１７（Ａ），（Ｂ）)。
親水性流路の枝分かれの回数（世代数）を変化させたところ、第８世代まで、流路の中央の中心とその周囲に収集される液滴の体積が世代数とともに単調増加し（図１８（Ａ），（Ｂ））全液滴のうち最大で74±9%が第１世代の流路の中心より半径2 mmの円内に集積した。これは世代数が増加すると基板上に流路がより密に敷き詰められ、基板全体から収集可能な液滴量が増加したためであると考えられる。
非特許文献２の空間充填木ではない木構造の流路では収集効率が25%にとどまり、効率的に平面を埋める本実施例のフラクタル流路の利点が明らかとなった。
さらに、テーパ状流路のテーパ角度を変化させたところ、驚くべきことに、1°では流路の途中に水滴が残り、10°でも周縁部の太い流路に液滴が残り、いずれも水滴の収集効率が低下し、2〜9°のテーパ角度で劇的に水滴収集能力を向上できることが確認された（図１９（Ａ），（Ｂ））。
１…液滴収集デバイス、２…基板、３…疎水性表面、４…親水性流路、１０…第１世代の流路、１２…第１世代の流路の起点、１４，１１６，１１８，２１６，２１８…第１世代の流路のテーパ状流路部、１６…第１世代の流路のテーパ状流路部の先端部、１８…第１世代の流路のテーパ状流路部の基端、２０，２０’…第２世代の流路、２２…第２世代の流路の起点、２４…第２世代の流路のテーパ状流路部、２６…第２世代の流路のテーパ状流路部の先端、α…テーパ角度。
項１．疎水性表面を有する基板を備え、該疎水性表面内に親水性流路が設けられた液滴収集デバイスであって、前記親水性流路は、
第１の起点から放射状に延び、前記第１の起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備えた第１世代の流路と、
前記第１世代の流路に設けられた第２の起点から放射状に延び、前記第２の起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備え、かつ第１世代の流路よりも大きさが縮小された第２世代の流路とを備え、
前記第２世代の流路は、前記第１世代の流路から分岐すると共に、前記第１世代の流路のと同じ向きで前記第１世代の流路と連結し、
前記第２世代の流路のテーパ状流路部の一つが、前記第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端部と重なっており、前記第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの基端から、前記第２世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端まで、親水性流路が単調に先細りする、液滴収集デバイス。
項２．前記第２の起点からの第２世代の流路の形状は前記第１の起点からの第１世代の流路の形状と略同一である項１に記載の液滴収集デバイス。
項６．前記第１世代の流路を一つ備えた前記親水性流路を一単位とし、前記一単位の親水性流路は線対称であり、前記疎水性表面には一単位又は複数単位の親水性流路が設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載の液体収集デバイス。
項７．第１世代の流路の前記第１の起点と第２世代の流路の前記第２の起点とが重なるように、かつ前記１世代の流路と１８０°回転対称な向きに、前記第２世代の流路がさらに設けられている項１〜５のいずれかに記載の液体収集デバイス。
項８．前記親水性流路が形成される領域がｎ角形の領域（ｎ≧４）を構成し、ｎ角形の頂点の一つを前記第１の起点とし、前記ｎ角形の前記第１の起点と隣接しない他の頂点とを結ぶ仮想線分により前記ｎ角形の領域ｎ−２個の三角形の領域に分割され、
前記三角形の領域の各々において、前記第１の起点から分岐して各三角形の領域内を通るｎ−２個の流路部の各々が、前記第１世代の流路のｎ−２個の流路部のうちの一つを形成し、各第１世代の流路のｎ−２個の流路部のそれぞれに前記第２世代の流路が連結する項１に記載の液体収集デバイス。
項９．前記親水性流路が形成される領域がｎ角形の領域（ｎ≧３）を構成し、該ｎ角形の領域に存在する前記第１の起点と前記ｎ角形の頂点とを結ぶ仮想線分によりｎ個の三角形の領域に分割され、
前記三角形の領域の各々において、前記第１の起点から分岐して前記ｎ個の三角形の領域内を通るｎ個の流路の各々が、前記第１世代の流路のｎ個の流路部のうちの一つを形成し、各第１世代の流路のｎ個の流路部のそれぞれに第２世代の流路が連結する項１に記載の液体収集デバイス。
親水性流路４は、第１世代の流路１０と、第２世代の流路２０とを備えている。第１世代の流路１０は、流路１０の中心でもある起点１２（第１の起点）から放射状に延び、起点１２から離れるにつれて単調に先細りする３個のテーパ状流路部１４を備えている。３個のテーパ状流路部１４は互いに等間隔に中心角１２０°で配置されている。第２世代の流路２０も、中心２２から放射状に延び、流路２０の中心でもある起点２２（第２の起点）から離れるにつれて単調に先細りする３個のテーパ状流路部２４を備えている。第２世代の流路２０の形状は、第１世代１０の流路と略同一形状であり、かつ第１世代の流路よりも大きさが縮小されている。第１世代１０の流路に対する第２世代の流路２０の縮尺率は２０〜８０％であることが好ましく、３０〜７０％であることがより好ましく、４０〜６０％であることが最も好ましい。なお、略同一形状とは、設計上不可避な誤差がある場合も含むことを意味する。また、単調に先細りするとは、途中で幅が増加することがなく直線的に先細りすることを指す。
図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示された第３実施形態の親水性流路４が形成される領域は、５角形の構造的パターンの一単位であり、第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路を示す。テーパ状流路部のテーパー角は３°とする。
図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示された第４実施形態の親水性流路４が形成される領域は、正６角形の構造的パターンの一単位であり、第４世代の流路までの繰り返し単位からなる親水性流路を示す。テーパ状流路部のテーパー角は３°とする。
テーパー状流路２１４と、これと連結し、かつ三角形の頂点に向かって先細りするテーパ状流路２１６，２１８とが第１世代の流路を構成するとみなすと、６個の領域Ｒ１〜Ｒ６内のそれぞれで、第１世代の流路から、第２世代の流路、第３世代の流路、及び第４世代の流路が第１実施形態と同様に枝分かれして形成され、第２世代の流路以降の流路のテーパ状流路部の数は３となる。本実施形態では、液滴は、第１世代の流路の起点Ｑに向かって効率的に収集することができる。

Claims (9)

  1. 疎水性表面を有する基板を備え、該疎水性表面内に親水性流路が設けられた液滴収集デバイスであって、前記親水性流路は、
    起点から放射状に延び、起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備えた第１世代の流路と、
    起点から放射状に延び、起点から離れるにつれて単調に先細りする複数のテーパ状流路部を備え、かつ第１世代の流路よりも大きさが縮小された第２世代の流路とを備え、
    前記第２世代の流路は第１世代の流路と同じ向きで前記第１世代の流路と連結し、
    前記第２世代の流路のテーパ状流路部の一つが、前記第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端部と重なっており、前記第１世代の流路のテーパ状流路部の一つの基端から、前記第２世代の流路のテーパ状流路部の一つの先端まで、親水性流路が単調に先細りする、液滴収集デバイス。
  2. 第２世代の流路の形状は第１世代の流路の形状と略同一である請求項１に記載の液滴収集デバイス。
  3. 第１世代の流路の複数のテーパ状流路部の各々に第２世代の流路が連結し、複数の下降する世代の流路を通じて縮小された流路が繰り返されるフラクタル構造を有する請求項１又は２に記載の液滴収集デバイス。
  4. 前記フラクタル構造の第１世代から数えた世代の数が２〜９である請求項３に記載の液体収集デバイス。
  5. 前記第１テーパ状流路部のテーパ角度が２〜９°である請求項１〜４のいずれかに記載の液体収集デバイス。
  6. 前記第１世代の流路の複数のテーパ状流路部が３個又は４個テーパ状流路部である請求項１〜５のいずれかに記載の液体収集デバイス。
  7. 第１世代の流路の複数のテーパ状流路部が３個であり、第１世代の流路の起点と第２世代の流路の起点とが重なるように、かつ前記１世代の流路と１８０°回転対称な向きに、前記第２世代の流路がさらに設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の液体収集デバイス。
  8. 前記親水性流路が、ｎ角形の領域（ｎ≧４）を構成し、ｎ角形の頂点の一つである起点と前記ｎ角形の他の頂点とを結ぶ仮想線分により前記ｎ角形の領域ｎ−２個の三角形の領域に分割され、
    前記三角形の領域の各々において、前記起点から分岐して各三角形の領域内の各々を通るｎ−２個の流路部が、前記第１世代の流路の３つの流路部のうちの一つを形成し、各第１世代の流路の３つの流路部のそれぞれに前記第２世代の流路が連結する請求項１に記載の液体収集デバイス。
  9. 前記親水性流路が、ｎ角形の領域（ｎ≧３）を構成し、該ｎ角形の領域に存在する起点と前記ｎ角形の頂点とを結ぶ仮想線分によりｎ個の三角形の領域に分割され、
    前記三角形の領域の各々において、前記起点から分岐して前記ｎ個の三角形の領域内の各々を通るｎ個の流路が、前記第１世代の流路の３つの流路のうちの一つを形成し、各第１世代の流路の３つの流路のそれぞれに第２世代の流路が連結する請求項１に記載の液体収集デバイス。
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