JP5594720B2 - 微小構造体 - Google Patents
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Description
項1. 伸縮可能な支持体に密着した表面薄膜の微小領域での座屈変形に基づく特性空間周波数を有する微細凹凸構造と液体パターンを備え、前記微細凹凸構造が突部と溝部を有し、前記液体パターンが前記溝部に満たされた液滴および液柱からなる群から選ばれる少なくとも1種から構成され、前記微細凹凸構造に刺激を加えて前記微細凹凸構造を変形させることにより或いは前記液滴および/または液柱に刺激を加えることにより前記液滴および/または液柱の形状ないし位置を操作して液体パターンを変えることができることを特徴とする、可変液体パターンを有する微小構造体。
項2. 前記微細凹凸構造に対する刺激が外部からの応力であり、この外部からの応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態の変化により溝構造自体を変化させ、溝部分に満たされた細長い液柱を分断し、孤立した微小液滴もしくは微小液柱を形成できることを特徴とする、項1に記載の微小構造体。
項3. 前記微細凹凸構造に対する刺激が外部からの応力であり、この外部からの応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態の変化により溝構造自体を変化させ、孤立して存在していた微小液滴もしくは微小液柱を特定の方向へ移動させることができることを特徴とする、項1に記載の微小構造体。
項4. 前記微細凹凸構造に対する刺激が外部からの応力であり、この外部からの応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態の変化により溝構造自体を変化させ、孤立して存在していた複数の微小液滴もしくは微小液柱を融合させることができることを特徴とする
、項1に記載の微小構造体。
項5. 前記溝構造変化のために外部から加える応力が1軸圧縮、1軸延伸、2軸圧縮、
2軸延伸、3軸圧縮、3軸延伸、面内回転1軸圧縮もしくはせん断ひずみであることを特徴とする項1〜4のいずれかに記載の微小構造体。
項6. 前記微細凹凸構造の溝部への液体導入が塗布により行われることを特徴とする項1〜4のいずれかに記載の微小構造体
項7. 前記溝構造変化のための外部応力が単一もしくは複数の針状先端構造の前記支持体に対する物理的接触による局所的な応力刺激であることを特徴とする項1〜6のいずれかに記載の微小構造体。
項8. 前記溝構造変化のための応力が電磁波による刺激で誘起されることを特徴とする項1〜7のいずれかに記載の微小構造体。
項9. 前記微小液体パターン構造変化が微小液体に対する電磁波による局所刺激により誘起されることを特徴とする項1〜8のいずれかに記載の微小構造体。
項10. 前記微小液体パターン構造変化が凹凸構造表面に対する電磁波による局所刺激により誘起されることを特徴とする項1〜9のいずれかに記載の微小構造体。
項11. 微細凹凸構造の特性空間周波数が200nm〜200μmであることを特徴とする項1
〜10のいずれかに記載の微小構造体。
項12. 伸縮可能な支持体に密着した表面薄膜の微小領域での座屈変形に基づく特性空間周波数を有する微細凹凸構造の溝部に液体を導入して液体パターンを形成し、前記支持体に外部から応力を加えることで前記液体パターンを変化させることを特徴とする、微小構造体上の液体パターンを変化させる方法。
項13. 前記支持体に外部から応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態を変化させることで溝構造自体を変化させ、溝部分に満たされた液滴ないし液中を移動、分断もしくは融合することを特徴とする、項12に記載の微小構造体上の液体パターンを変化させる方法。
項14. 項1〜11のいずれかに記載の微小構造体の微小液体パターン構造またはその転写液体パターン構造を形成するための使用。
ペース状の柱状の液体(液柱)の微細パターニングが可能となる。
λは、0.3程度である。接触角が10度以下になると、微小液柱は生成されにくくなり、全
体に液体が広がった状態となる。逆に、接触角が大きくなると、微小液柱形成にはさらに大きな断面アスペクト比が必要となる。例えば接触角が25°よりも小さくなるにつれて、断面アスペクト比、R=A/λは、0.3から0.25或いは0.2、さらには0.15になってもよい。必要な断面アスペクト比、R=A/λの値は接触角θとの関係で決まるので、接触角がより大きくなれば、凹凸構造の断面アスペクト比はより大きい値であることが必要であり、接触角が小さくなれば、凹凸構造の断面アスペクト比はより小きい値でよい。接触角は液
体と薄膜表面との関係で決まるので、必要な断面アスペクト比もそれに応じて決定される。
、液柱引出しを促進することができる。
。このようにすることで、薄膜(B)の特性や支持体(A)との密着性を向上させることができる。また、単層でなくとも弾性率に勾配を有する材料でもよい。
ンコート、キャストなど)、また可能であれば真空蒸着、セラミックであれば有機セラミ
ック原料のプラズマ照射処理(表面部分のみが酸化されてセラミックになる)が例示される。また電子線や紫外線、イオン線照射によっても表面の変性を促し薄膜(B)を形成可能である。
厚さ5mm程度の20×20mm程度のPDMSゴムを成形し、ポリアミック酸のNMP溶液(1wt%)をポリジメチルシロキサン弾性体表面に5000回転でスピンコート後、その基体を一
軸方向に10%圧縮した状態で、100℃、1時間加熱し、空冷後延伸を解除することで
溝の方向が特定の方向(0度方向)に向いた微細凹凸構造を得る。凹凸周期は約2ミクロ
ン、高低差は約0.3ミクロンであった。この表面に50〜1000μm程度の大きな液滴をリザーバとして形成し、1軸圧縮装置によって0度方向に10%圧縮することで、凹凸の高低差を上昇させる。その結果、図4のように溝部分に液体が浸入し、幅が凹凸周期より20%程度短い(約1.8ミクロン)微小液柱が形成される。液体には、室温液晶である4-cyano-4’-n-pentyl biphenyl (5CB)を用いている。
実施例1において形成された微小液柱を、90度方向に1軸圧縮することで凹凸方向の変
化を引き起こすことで分断することで、サイズの揃った2ミクロンピッチの微小液体ドッ
トアレイ(図5)を形成した。
実施例1において、液体として結晶性化合物のサリチル酸フェニル(ザロール:融点43℃)を45°で融解したメルトを用いて微小液柱を形成した後、室温において結晶化することで、幅約1.8ミクロンの形状制御された結晶を得る。図6に示すように偏光顕微鏡にて
その結晶性を確認した。
実施例1で0度方向に10%圧縮した状態で、その表面に5CBを数十μLのせ、その
上にスペーサー(厚み数十ミクロン)を有する基体(上部液体保持基体)を設置することで、基体と凹凸表面との間に液体が満たされ、その基体端で直線的な気液固の三相界面が形成される。図7に示されるように、その基体を凹凸表面に対して、凹凸の溝方向に向けて後退させることで、溝に液体が残され、均一な液柱アレイが形成された。
厚さ5mm程度の12×12mm程度のPDMSゴムを成形し、ポリアミック酸のNMP溶液(1wt%)をポリジメチルシロキサン弾性体表面に5000回転でスピンコート後、その基板を一
軸方向に10%圧縮した状態で、100℃、1時間加熱し、空冷後延伸を解除することで溝の
方向が特定の方向(0度方向)に向いた微細凹凸構造を得る。凹凸周期は約1.6ミクロン、高低差は約0.2ミクロンであった。この表面にアゾベンゼン含有ポリマー(Poly(4-(-4-ethoxyphenylazo)phenoxy)hexyl methacrylate)(化合物1)のトルエン溶液(0.2wt%)を2000回転でスピンコートし光応答性表面を形成した。
らシス体へと光異性化させたのち、顕微鏡下で図8のようにパターン化した可視光を5分
間縮小投影し、照射部分のアゾベンゼンをシス体からトランス体へと光異性化させた。
1軸圧縮装置によって0度方向に5%圧縮することで、凹凸の高低差を上昇させる。その状
態で、その表面に室温液晶である4-cyano-4’-n-pentyl biphenyl (5CB)を数μLのせ、
その上にスペーサー(厚み数十ミクロン)を有する基板(上部液体保持基板)を設置することで、基板と凹凸表面との間に液体が満たされ、その基板端で直線的な気液固の三相界面が形成される。図9に示されるように、3相界面から液中が引き出され(図中において下に3相界面が存在し、液体は矢印のように上に向かって引き出される)、可視光の照射部分以外の溝にのみ液体が引き出され、パターン化された液柱アレイが形成された。この結果は光照射による光応答表面の化学構造変化(アゾ基におけるシス―トランス体間の光異性化)により表面エネルギーが変化することで液体の接触角が変わることに起因している。すなわち、可視光照射部分においては接触角が液柱化条件よりも高いために液体が浸透できないが、可視光非照射部分では接触角が低く液柱が形成できる、という機構に基づく。その後、再び全面を365nmの紫外光で照射することにより、一面に液柱アレイが形成
され、操作の可逆性が確認された。
その上にスペーサー(厚み数十ミクロン)を有する基板(上部液体保持基板)を設置し、その基板を凹凸表面に対して、凹凸の溝方向に向けて後退させることで、可視光を照射していない溝にのみ液体が残され、図9と同様なパターン化された液柱アレイが形成されることを確認した。
実施例2において、1本の液体柱の分断によるドットアレイを形成しているが、隣接する複数の液体柱アレイが形成されている状態で1軸圧縮ひずみを加えることで溝方向を変
化させることによって広範囲で液体柱アレイの方向が変えられる。この場合、新しい溝の形成と同時に液体柱が分断され、それと同時に新しい溝方向で液滴の融合が起こることで、表面全体で液体柱の方向が変えられる。また、この変化は可逆的に繰り返せる。図10に溝方向を90度変えた場合の液体柱の間隔が約2ミクロンの例を示す。液体は、1-Ethyl-3-methylimidazolium thiocyanateである。
実施例6において、1軸圧縮ひずみを加える前に、弱プラズマ処理を行い、引き続き、perfluorooctyltriethoxysilaneの0.1MPa飽和雰囲気に暴露し、液体の満たされていない
表面(露出表面)の表面エネルギーを低下させることで、部分的に接触角を増加する処理を行う。この液体柱アレイ表面を有する試料に対して、1軸圧縮ひずみを加えると、固体表面の溝方向が変化するために、液体柱の分断が起こる。この場合、実施例7において起こる分断液滴間の表面部分の接触角が大きいためにそれらの融合が抑制されるために、広範囲でドットアレイが形成される。また、この変化は可逆的に繰り返せる。図11に溝方向を90度変えた場合の液体柱の間隔が約2ミクロンの例を示す。また図12には波長633nmのHe-Neレーザー光(平行光、直径約1mm)を背面から垂直入射した場合の回折スポッ
トも示すが、液体柱アレイの場合には凹凸構造が液体の存在により微小なために回折は殆ど見られないのに対し、ドットアレイ状態では2方向への回折スポットが確認できる。このように1軸ひずみ刺激によって液体固体複合界面の形状を可逆に変えることで、調節可能な回折格子を作製した。
実施例7において、液体柱を作製後に微小表面構造体の溝方向を90度以外の方向へ変えることで、各液体ドットが変化後の溝方向へ伸びた形状を持ち、配列したアレイ構造を作製できることを確認した。図12は歪み方向を初期の液体柱の垂直方向に対して約20度の方向へ圧縮ひずみを加えることで溝方向を変化させた場合に形成された液体ドットアレイの顕微鏡写真である。
実施例1−3と同様な実験について様々に液体を変えることで行い、様々に平衡接触角を変化させた場合に対して、液体柱が安定して発生および存在する条件を、溝構造のアスペクト比に関しての一般的に図13のように決定した。液体として用いた物質は、4-methoxyazobenzene, dodecanoic acid, NMP, salol, 1-Bromonaphthalene, 5CB, 4-n-hexyl-4’-cyanobiphenyl (6CB), 4-n-heptyl-4’-cyanobiphenyl (7CB), ethyleneglycol, propylenecarbonate, 1-Ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulphate, diiodomethaneとこれ
らの混合物である。
Claims (13)
- 伸縮可能な支持体に密着した表面薄膜の微小領域での座屈変形に基づく特性空間周波数を有する微細凹凸構造と液体パターンを備え、前記微細凹凸構造が突部と溝部を有し、前記液体パターンが前記溝部に満たされた液滴および液柱からなる群から選ばれる少なくとも1種から構成され、前記微細凹凸構造に刺激を加えて前記微細凹凸構造を変形させることにより前記液滴および/または液柱の形状ないし位置を操作して液体パターンを変えることができることを特徴とする、可変液体パターンを有する微小構造体。
- 前記微細凹凸構造に対する刺激が外部からの応力であり、この外部からの応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態の変化により溝構造自体を変化させ、溝部分に満たされた細長い液柱を分断し、孤立した微小液滴もしくは微小液柱を形成できることを特徴とする、請求項1に記載の微小構造体。
- 前記微細凹凸構造に対する刺激が外部からの応力であり、この外部からの応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態の変化により溝構造自体を変化させ、孤立して存在していた微小液滴もしくは微小液柱を特定の方向へ移動させることができることを特徴とする、請求項1に記載の微小構造体。
- 前記微細凹凸構造に対する刺激が外部からの応力であり、この外部からの応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態の変化により溝構造自体を変化させ、孤立して存在していた複数の微小液滴もしくは微小液柱を融合させることができることを特徴とする、請求項1に記載の微小構造体。
- 前記微細凹凸構造を変形させるために外部から加える応力が1軸圧縮、1軸延伸、2軸圧縮、2軸延伸、3軸圧縮、3軸延伸、面内回転1軸圧縮もしくはせん断ひずみであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の微小構造体。
- 前記微細凹凸構造の溝部への液体導入が塗布により行われることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の微小構造体
- 前記微細凹凸構造を変形させるための外部応力が単一もしくは複数の針状先端構造の前記支持体に対する物理的接触による局所的な応力刺激であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の微小構造体。
- 前記微細凹凸構造を変形させるための応力が電磁波による刺激で誘起されることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の微小構造体。
- 前記液体パターンを変えることが凹凸構造表面に対する電磁波による局所刺激により誘起されることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の微小構造体。
- 微細凹凸構造の特性空間周波数が200nm〜200μmであることを特徴とする請求項1〜9の
いずれかに記載の微小構造体。 - 伸縮可能な支持体に密着した表面薄膜の微小領域での座屈変形に基づく特性空間周波数を有する微細凹凸構造の溝部に液体を導入して液体パターンを形成し、前記支持体に外部から応力を加えることで前記液体パターンを変化させることを特徴とする、微小構造体上の液体パターンを変化させる方法。
- 前記支持体に外部から応力を加えることにより生じる外部ひずみ状態を変化させることで溝構造自体を変化させ、溝部分に満たされた液滴ないし液中を移動、分断もしくは融合することを特徴とする、請求項11に記載の微小構造体上の液体パターンを変化させる方法。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の微小構造体の微小液体パターン構造またはその転写液体パターン構造を形成するための使用。
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