JP7034714B2 - 音響波エネルギーの利用を増大させる音響波マイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、音響波エネルギーの利用を増大させる音響波マイクロ流体デバイスに関する。

表面音響波（ＳＡＷ）噴霧化または霧化装置など、音響波マイクロ流体デバイスが、肺への薬物の送達および幅広くさまざまな他のマイクロ流体の用途に向けて提案されている。ＳＡＷマイクロ流体デバイスは、圧力基板上に指間状のトランスデューサ（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）（ＩＤＴ）を備える。ＩＤＴに高周波（ＲＦ）電力を印加することによってＳＡＷが生成され、ＳＡＷが、基板上の液体を通過してエアロゾル滴を生成する。基板は、純粋なＳＡＷのみが霧化に使用されるよう、基板内部のバルク波の伝播を抑制するために、ニオブ酸リチウムの回転Ｙカットとして慎重に選択される。

現在のＳＡＷマイクロ流体デバイスは、１～１００μｌ／分の間の限られた噴霧化または霧化速度しか有していない。このような低い霧化速度は、肺への薬物の送達において患者に有効な量をもたらすには不充分である。患者に有効な量をもたらすべく充分に高い霧化速度を達成するために単純にＲＦ電力のレベルおよび／または液体の供給速度を高めることは、実用的でない。

ＲＦ電力のレベルを高めると、基板および／またはデバイスの構成部品への熱負荷が増大し、大型でかさばる電源も必要になる。さらに、ＲＦ電力のレベルを高めると、送達される薬物について、複雑な分子または細胞の変性による付随的損傷の可能性も大きくなる。最後に、液体の供給速度を増すと、デバイスが液体に浸かり、霧化が完全に停止することを引き起こす。

このような背景において、マイクロ流体の取り扱いの能力を高めるべく入力されるＲＦ電力および出力される音響波エネルギーの利用を増大させる音響波マイクロ流体デバイスが、必要とされている。

本発明によれば、
基板上の電気音響トランスデューサと、
前記電気音響トランスデューサに電磁波エネルギーを供給するための電源と、
前記基板に対して移動可能な物質の供給源と
を備えており、
前記電気音響トランスデューサおよび前記基板は、前記供給源から前記基板への前記物質の移動および前記基板上での前記物質の取り扱いに使用される音響波エネルギーを生成するように構成されている、デバイスが提供される。

前記音響波エネルギーは、前記基板の第１の表面、前記基板の反対側の第２の表面、またはこれらの組み合わせに沿って伝播するＳＡＷを含むことができる。

前記基板は、前記音響波エネルギーの波長に相当する厚さを有することができる。

前記音響波エネルギーは、ＳＡＷと表面反射バルク波（ＳＲＢＷ）との組み合わせを含むことができる。本明細書において使用されるとき、「ＳＲＢＷ」は、前記第１および第２の表面の間の前記基板における内部反射によって前記第１および第２の表面に沿って伝播するバルク音響波（ＢＡＷ）を指す。前記ＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせを、前記供給源から前記基板への前記物質の移動および前記基板上での前記物質の取り扱いに使用することができる。

前記音響波エネルギーは、ＳＡＷと前記電気音響トランスデューサにおける定在音響波との組み合わせを含むことができ、ＳＡＷは、前記物質を前記供給源から前記基板に沿って前記電気音響トランスデューサへと薄い液体膜として移動させるために使用され、前記電気音響トランスデューサにおける前記定在音響波は、前記薄い液体膜の霧化または噴霧化に使用される。

前記物質の前記供給源を、前記基板の表面、前記基板の側縁、前記基板の端縁、またはこれらの組み合わせの上、内部、または近接し隣接して配置することができる。

前記電気音響トランスデューサは、前記基板の前記第１の表面、前記基板の前記第２の表面、またはこれらの組み合わせに配置された１つ以上の指間状のトランスデューサを備えることができる。

前記基板は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムの回転Ｙカットなど、単結晶圧電基板を備えることができる。

前記電源、基板、および供給源を、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ホルダに統合化させることができる。

前記電源は、電池を備えることができる。

前記物質は、液体、固体、気体、あるいはこれらの組み合わせまたはこれらの混合物を含む移動可能な物質であってよい。前記物質は、薬物、可溶性物質、ポリマー、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、細胞、幹細胞、香水、香料、ニコチン、化粧品、農薬、殺虫剤、およびこれらの組み合わせから選択される機能性または治療用の作用薬を含むことができる。

前記物質を、１ｍｌ／分以上の速度で霧化または噴霧化させることができる。

本発明は、
混成音響波エネルギーを使用して、物質を物質の供給源から基板へと移動させるステップと、
前記混成音響波エネルギーを使用して、前記基板の少なくとも一方の表面上の前記物質を取り扱うステップと
を含んでおり、
前記混成音響波エネルギーは、前記基板の前記少なくとも１つの表面に沿って伝播する表面音響波と、前記基板の前記少なくとも一方の表面と前記基板の少なくとも１つの別の表面との間を内部反射するバルク音響波とを含む、方法をさらに提供する。

本発明は、上述のデバイスを備える肺へと薬物を送達するための吸入器またはネブライザも提供する。

本発明は、上述のデバイスを備える眼へと薬物を送達するための眼鏡類をさらに提供する。

本発明は、上述のデバイスを備える電子たばこも提供する。

本発明は、上述のデバイスを備えるにおい発生器をさらに提供する。

本発明は、上述のデバイスを使用して物質についてマイクロ流体操作を実行するステップを含んでおり、前記マイクロ流体操作は、霧化、噴霧化、移動、輸送、混合、噴出、ストリーム化、遠心分離、捕捉、分離、選別、コーティング、カプセル化、取り扱い、脱塩、精製、剥離、積層、およびこれらの組み合わせを含む、方法も提供する。

本発明は、上述のデバイスを使用して可溶性物質を霧化または噴霧化し、１ｎｍ～１ｍｍの直径を有する粒子、粉末、または結晶を生成するステップ、を含む方法をさらに提供する。

本発明は、上述のデバイスを使用して１ｎｍ～１ｍｍの直径を有する粒子または粉末で治療の目的のための薬物分子をコーティングし、あるいは包むステップ、を含む方法をさらに提供する。

本発明は、上述のデバイスを使用して液体から塩、結晶、または不純物を分離することによって前記液体の精製または脱塩を行うステップ、を含む方法も提供する。

本発明は、上述のデバイスを使用して三次元（３Ｄ）のバルクの形態から二次元（２Ｄ）の剥離した形態へと材料を剥離させるステップ、を含む方法をさらに提供する。

前記材料は、グラフェン、チッ化ホウ素（ＢＮ）、遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤ）、遷移金属酸化物（ＴＭＯ）、黒リン、シリセン、ゲルマネン、およびこれらの組み合わせを含むことができる。

前記材料の前記３Ｄのバルクの形態は、液体中または挿入材料中の前記材料を含むことができる。

前記材料の前記２Ｄの剥離した形態は、シート、量子ドット（ＱＤ）、フレーク、層、フィルム、あるいはこれらの組み合わせまたは複数もしくは構造を含むことができる。

前記材料の前記２Ｄの剥離した形態は、１ｎｍ～２０００ｎｍの間の横方向の寸法を有することができる。

次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、あくまでも例として説明する。

本発明の一実施形態による音響波マイクロ流体デバイスの概略図である。 デバイスの別の実施形態の概略図である。 デバイスのさらに別の実施形態の斜視図である。 図３のデバイスの写真である。 図３のデバイスの写真である。 図３のデバイスの写真である。 純粋なＳＡＷを生成するように構成されたデバイスのレーザドップラ振動（ＬＤＶ）画像である。 純粋なＳＡＷを生成するように構成されたデバイスのレーザドップラ振動（ＬＤＶ）画像である。 純粋なＳＡＷを生成するように構成されたデバイスの概略図である。 純粋なＳＲＢＷおよび純粋なＳＡＷをそれぞれ生成するように構成されたデバイスのＬＤＶ画像である。 純粋なＳＲＢＷおよび純粋なＳＡＷをそれぞれ生成するように構成されたデバイスの概略図である。 純粋なＳＲＢＷを生成するように構成されたデバイスのＬＤＶ画像である。 純粋なＳＲＢＷを生成するように構成されたデバイスの液滴のサイズおよび体積のグラフである。 純粋なＳＲＢＷを生成するように構成されたデバイスの概略図である。 純粋なＳＡＷを生成するように構成された場合のデバイスのＬＤＶ画像である。 純粋なＳＡＷを生成するように構成された場合のデバイスの液滴のサイズおよび体積のグラフである。 純粋なＳＡＷを生成するように構成された場合のデバイスの概略図である。 ＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせを生成するように構成された場合のデバイスのＬＤＶ画像である。 ＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせを生成するように構成された場合のデバイスの液滴のサイズおよび体積のグラフである。 ＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせを生成するように構成された場合のデバイスの概略図である。 ＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせのＬＤＶプロファイルである。 純粋なＳＡＷのＬＤＶプロファイルである。 眼への薬物の送達のためのデバイスが組み込まれた眼鏡類の概略図である。 図２のデバイスの写真である。 ３Ｄのバルク材料を２Ｄの剥離後材料へと剥離させるように構成されたデバイスの概略図である。 デバイスによって形成された２Ｄ ＱＤの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。 ２Ｄ ＱＤの薄膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。

図１および図２は、本発明の実施形態による音響波マイクロ流体デバイス１０を示している。デバイス１０は、一般に、基板１４上の電気音響トランスデューサ１２と、電気音響トランスデューサ１２にＲＦ電力などの電磁波エネルギーを供給するための電源（図示せず）とを備えることができる。デバイス１０は、基板１４へと移動することができる物質の供給源１６をさらに備えることができる。物質は、音響波エネルギーによって供給源１６から基板１４へと移動することができる形態の物質または材料を含むことができる。物質は、液体、固体、気体、あるいはこれらの組み合わせまたはこれらの混合物を含むことができる。例えば、物質は、液体、溶液、分散液、などとしての物質または材料を含むことができる。

電気音響トランスデューサ１２は、基板１４の第１の表面１８、基板１４の反対側の第２の表面２０、またはそれらの組み合わせに配置された多数のＩＤＴ電極を備えることができる。他の同等または代替の電気音響トランスデューサも、使用可能である。基板１４は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）またはタンタル酸リチウムの回転Ｙカットなどの単結晶圧電基板であってよい。例えば、基板１４は、１２８°回転のＹ軸のＸ軸伝播のニオブ酸リチウム結晶カット（１２８ＹＸ ＬＮ）を備えることができる。他の同等または代替の圧電基板も、使用可能である。

図示されていないが、基板１４の一端を、ＲＦ電力を供給する２つ以上の接触プローブの間に機械的に固定および支持することができる。さらに、基板１４の１つの支持端を、電気音響トランスデューサ１２によって基板１４へと付与される振動エネルギーの減衰を最小限にすべく基板１４との接触面積を最小にするようにＩＤＴフィンガ電極１２とは反対側の第１の表面１８上の１つ以上のバネおよび／または固定具によって取り付けることができる。したがって、基板１４を、基板１４の反対側の自由端において最大の音響振動が可能になるように、音叉と同様のやり方で弾性的に支持された一端において機械的な固定具から突き出させることができる。

物質の供給源１６を、基板１４の側縁２２、基板１４の端縁２４、またはこれらの組み合わせを介して、基板１４の第１および／または第２の表面１８、２０の上、内部、または近接し隣接して、接触または非接触の関係で配置することができる。図１を参照すると、一実施形態において、供給源１６は、液体物質のリザーバ２６と、基板１４の側縁および／または端縁２２，２４に接触するように配置された芯（ｗｉｃｋ）２８とを備えることができる。図２を参照すると、別の実施形態において、供給源１６は、基板１４の端縁２４に直接接触するように配置されたリザーバ２６のみを備えることができる。他の同等または代替の物質源の配置も、使用可能である。

電気音響トランスデューサ１２および基板１４を、液体物質の供給源１６から基板１４上への薄い液体膜としての移動（例えば、吸い出し、引き出し、さらには／あるいは薄くする）ならびに薄い液体膜の霧化または噴霧化の両方に使用される音響波エネルギーを生成するように構成することができる。例えば、デバイス１０の一実施形態において、音響波エネルギーは、基板１４の第１の表面１８、基板１４の第２の表面２０、あるいは基板１４の第１および第２の両方の表面１８，２０に沿って伝搬するＳＡＷとして現れることができる。すなわち、ＳＡＷは、第１の表面１８に沿い、端縁２４を巡り、基板１４の第２の表面２０に沿って伝搬することができる。いかなる特定の理論にも拘束されるつもりはないが、ＳＡＷは、基板１４の第１および第２の表面１８，２０の各々において、電気音響トランスデューサ１２に対して順方向および逆方向の両方に伝搬することができると考えられる。第１および／または第２の表面１８，２０上を逆方向に移動するＳＡＷは、リザーバ２６および／または芯２８から液体物質を吸い出し、引き出し、薄くする役割を少なくとも部分的に果たすことができると考えられる。

第２の表面２０に沿って移動する音響波エネルギーの使用は、第１の表面１８のみが使用される従来からのＳＡＷマイクロ流体デバイスとは反対である。利用可能な音響波エネルギーのこの顕現および利用は、ＳＡＷの波長に相当する（例えば、ほぼ等しい）厚さを有するように基板１４を構成することによって達成できる。換言すると、デバイス１０を、λ_ＳＡＷ／ｈ～１の関係を満たすように構成することができ、ここで、ｈは基板１４の厚さを表し、λ_ＳＡＷはデバイス１０の共振周波数に対応するＳＡＷの波長を表す。ＳＡＷの波長を、少なくとも部分的には、例えばＩＤＴ電極の間隔などの電気音響トランスデューサ１２の構成によって決定することができる。多数のＩＤＴフィンガ（例えば、約４０～６０のフィンガに等しく、あるいはそれよりも多い）の質量負荷および約１０～２０ＭＨｚの間の低周波数のＩＤＴ設計を、ＳＡＷとＳＲＢＷとの最適な組み合わせを与えるように選択することができる。電気音響トランスデューサ１２および基板１４について、他の同等または代替の構成も使用可能である。

さらに、基板１４の厚さを音響波エネルギーの波長に相当するように構成することにより、デバイス１０の別の実施形態における音響波エネルギーは、第１および第２の表面１８，２０の間の基板１４を通過する内部反射によって第１および第２の表面１８，２０に沿って伝搬するＳＲＢＷとして現れることができる。やはりいかなる特定の理論にも拘束されるつもりはないが、ＳＲＢＷも、基板１４の第１および第２の表面１８，２０の各々において、電気音響トランスデューサ１２に対して順方向および逆方向の両方に伝搬することができると考えられる。第１および／または第２の表面１８，２０上を逆方向に移動するＳＲＢＷは、リザーバ２６および／または芯２８から液体物質を吸い出し、引き出し、薄くする役割を少なくとも部分的に果たすことができると考えられる。次いで、ＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせを、液体物質の液体供給源１６から基板１４上への薄い液体膜としての吸い出しおよび薄い液体膜の霧化の両方に使用することができる。例えば、図１に示される実施形態において、基板１４の第１および第２の表面１８，２０に沿って進むＳＡＷおよびＳＲＢＷの組み合わせを、液体物質の供給源１６から基板１４の第１の表面１８への薄い液体膜としての吸い出しならびに基板１４の第１の表面１８上の薄い液体膜の霧化または噴霧化の両方に使用することができる。

デバイス１０のさらなる実施形態においては、電気音響トランスデューサ１２および基板１４を、電気音響トランスデューサ１２内または電気音響トランスデューサ１２上の定在音響波として現れることができる音響波エネルギーを生成するように構成することができる。ＳＡＷを、液体物質を供給源１６から基板１４に沿って電気音響トランスデューサ１２上へと薄い液体膜として吸い出すために使用することができる。次いで、定在音響波を、電気音響トランスデューサ１２上で直接的に薄い液体膜を霧化させるために使用することができる。例えば、図２に示される実施形態において、基板１４の第１の表面１８に沿って移動するＳＡＷを、液体物質を供給源１６から第１の表面１８に沿って電気音響トランスデューサ１２上へと薄い液体膜として吸い出すために使用することができる。次いで、電気音響トランスデューサ１２内または電気音響トランスデューサ１２上の定在音響波を、薄い液体膜を直接的に霧化または噴霧化するために使用することができる。ＩＤＴ １２上の音響波エネルギーが最強であるため、ここでの効率が、マイクロ流体の取り扱いに関して最高である。換言すると、リザーバ２６からＩＤＴ １２へと液体膜を吸い出し、移動させ、薄くすることによるＩＤＴ １２上での直接的な霧化は、例えば１ｍｌ／分以上のきわめて高くかつ効率的な霧化速度をもたらすことができる。図１５が、デバイス１０のこの実施形態のＩＤＴ １２上で直接的に生成される強力なエアロゾルジェットまたは液体ストリームを示している。

図３および図４を参照すると、デバイス１０の一実施形態においては、電源、基板１４、および供給源１６を、ＵＳＢホルダ３０に統合することができる。例えば、上述した基板１４の１つの支持端のための弾性支持部および結合部を、ＵＳＢホルダ３０の本体に統合化させることができる。さらに、電気音響トランスデューサ１２のための電源を、ＵＳＢホルダ３０に統合化させることができ、あるいはＵＳＢホルダ３０を介して設けることができる。例えば、電源は、ＵＳＢホルダ３０に組み込まれた電池を備えることができる。

さらに、液体物質の供給源１６を、ＵＳＢホルダ３０上に統合化させることができる。
例えば、供給源１６は、リザーバ２６を芯２８へと流体的に接続するようにＵＳＢホルダ３０の下方に配置された供給源本体３１をさらに備えることができる。リザーバ２６を、ＵＳＢホルダ３０の後部に配置することができ、芯２８を、基板１４の自由端縁２４に隣接させて供給源本体３１上に配置することができる。芯２８を、第１および第２の表面１８，２０の間の基板１４の下側の側縁２２に流体に関して接触させることができる。

上述したように、電気音響トランスデューサ１２および基板１４を集合的に、デバイス１０によって液体物質を供給源１６から基板１４の第１および第２の表面１８，２０の各々へと薄い液体膜として移動させ、あるいは吸い出し、第１および第２の表面１８，２０の各々の薄い液体膜を霧化または噴霧化して、液体のエアロゾル滴の２つの反対方向の外向きジェット、ストリーム、またはミストを生成するために集合的に使用することができるＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせが生み出されるように、構成することができる。図５および図６は、デバイス１０のこの実施形態による１対のエアロゾルジェットの生成を示している。

上述のデバイス１０の実施形態を、例えば１ｍｌ／分以上など、１００μｌ／分よりも大きい速度で液体物質を霧化または噴霧化するために使用することができる。液体物質は、薬物、可溶性物質、ポリマー、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、細胞、幹細胞、香水、香料、ニコチン、化粧品、農薬、殺虫剤、およびこれらの組み合わせから選択される機能性または治療用の作用薬を含むことができる。例えば生物学的物質、医薬物質、香気物質、化粧物質、抗菌物質、抗真菌物質、かび防止（ａｎｔｉｍｏｕｌｄ）物質、殺菌剤、除草剤、防かび剤、殺虫剤、肥料、など、他の同等または代替の機能的または治療用の作用薬を液体中に混合、溶解、分散、または懸濁させることができる。また、デバイス１０を、１ｎｍ～１ｍｍの直径を有する粒子、粉末、または結晶を生成するために可溶性物質を霧化または噴霧化するために使用することもできる。さらに、デバイス１０を、１ｎｍ～１ｍｍの直径を有する粒子または粉末で治療の目的のための薬物分子をコーティングし、あるいは包むために使用することができる。また、デバイス１０を、他の同等または代替の生体マイクロ流体、マイクロ流体、マイクロ粒子、ナノ粒子、ナノ医薬、微結晶化、マイクロカプセル化、および微粉化の用途に使用することもできる。例えば、デバイス１０は、霧化、噴霧化、移動、輸送、混合、噴出、ストリーム化、遠心分離、捕捉、分離、選別、コーティング、カプセル化、取り扱い、脱塩、精製、剥離、積層、およびこれらの組み合わせを含む物質についての音響波マイクロ流体操作を実行するように構成することができる。他の代替または同等のマイクロ流体操作も、デバイス１０を使用して実行することができる。

デバイス１０を、幅広くさまざまな他のデバイス、システム、および装置への組み込みに適した低フォームファクタの低コストな小型サイズにて電池の電力で実現することができる。例えば、デバイス１０は、肺への薬物の送達のための吸入器またはネブライザに組み込まれてよく、あるいは肺への薬物の送達のための吸入器またはネブライザとして構成されてよい。また、デバイス１０は、ニコチンおよび／または香料を含有する液体を霧化させるために電子たばこに組み込まれてもよい。さらに、デバイス１０は、におい発生器として構成され、ゲーム機に組み込まれてもよい。あるいは、図１４に示されるように、デバイス１０を、眼科の薬物を送達するために、ゴーグルまたは眼鏡などの眼鏡類３６に組み込むことができる。デバイス１０のための電源３８を、眼鏡類３６のアームに設けることができる。眼鏡類３６を、眼疾患の治療のために、薬物を含むエアロゾル、粒子、および粉末、ならびに薬物を包むポリマー粒子を送達するために使用することができる。デバイス１０の他の同等または代替の用途も、使用可能である。

上述のデバイス１０を、液体から塩、結晶、粒子、不純物、またはこれらの組み合わせを分離することによる液体の精製または脱塩に使用することもできる。例えば、デバイス１０による生理食塩水の噴霧化は、同じ溶液を含むエアロゾル滴の生成をもたらすことができ、その蒸発は、沈殿した塩結晶の形成をもたらす。それらの質量ゆえに、塩結晶は沈殿し、したがって水蒸気から慣性によって分離でき、したがって水蒸気の凝縮により、精製水が回収される。したがって、多数のデバイス１０を並列に備えるプラットフォームへのデバイス１０の拡大（すなわち、数を増やす）が、大規模脱塩のためのエネルギー効率の良い方法をもたらすことができる。あるいは、単一または少数のデバイス１０からなる小型化されたプラットフォームを、第三世界の環境において有用となり得る電池動作の携帯型浄水システムとして使用することができる。

他の実施形態においては、デバイス１０を、材料を３Ｄのバルクの形態から２Ｄの剥離された形態へと剥離させるために使用することができる。材料は、例えばグラフェン、ＢＮ、ＴＭＤ、ＴＭＯ、黒リン、シリセン、ゲルマネン、およびこれらの組み合わせを含むことができる。他の代替または同等の材料も、使用することができる。材料の３Ｄのバルクの凝集形態は、液体材料または挿入材料中の材料を含むことができる。材料の２Ｄの剥離された形態は、シート、ＱＤ、フレーク、層、フィルム、あるいはこれらの組み合わせまたは複数もしくは構造を含むことができる。材料の２Ｄの剥離された形態は、例えば１ｎｍ～２０００ｎｍの間の横方向の寸法を有することができる。

これらの実施形態において、ＨＹＤＲＡデバイス１０を、ＨＹＤＲＡデバイス１０によって生成された高周波数の音波を水中または挿入材料を用いた剥離前ステップの存在下で使用して、例えばＴＭＯ、ＴＭＤ、および２Ｄ材料の他のホスト（ただし、これらに限られるわけではない）の大きなシートおよびＱＤを生成するための独自の高スループットの迅速な剥離方法を提供するために使用することができる。ＨＹＤＲＡデバイス１０によるバルク溶液の噴霧化は、図１６に示されるように、単一または少数の層のフレークを生成する３Ｄバルク材料内の層間結合のせん断をもたらすことができる。図示の実施形態において、３Ｄバルク材料溶液３３を、ＨＹＤＲＡデバイス１０の基板１４の中心線に沿って紙芯２８の助けによって導管２６を介して供給することができる。噴霧化の最中に生成される高周波の音波が、飛行中の３Ｄバルク材料３３のせん断をもたらして、２Ｄの剥離した材料３２を形成することができる。図１７は、数層のＭｏＳ_２ ＱＤを有するＨＹＤＲＡ噴霧化滴を示すＴＥＭ画像である。図１８は、２μｍｘ２μｍをカバーするＭｏＳ_２ ＱＤの薄膜のＡＦＭ画像である。この用途において、ＨＹＤＲＡデバイス１０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、メモリデバイス、光検出器、太陽電池、水素発生反応（ＨＥＲ）用の電解触媒、およびリチウムイオン電池（ただし、これらに限られるわけではない）における応用の目的に適した調節可能な膜のパターンおよび厚さを生み出す基板上の２Ｄ材料の連続的な噴霧化を通じて広い面積をカバーすることができる能力を提供することができる。

ここ数年において、２Ｄ材料の研究は、ナノサイエンスの最も活気のある分野の１つになっている。この分野は、当初はグラフェンの研究が主であったが、その後にＢＮ、ＭｏＳ_２およびＷＳｅ_２などのＴＭＤ、ＭｏＯ_３およびＲｕＯ_２などのＴＭＯ、ならびに黒リン、シリセン、およびゲルマネンなどの他のホストを含む幅広い範囲の２Ｄ材料を含むように広がっている。これらの材料は、きわめて多様であり、エネルギーからエレクトロニクスおよび触媒作用に至る分野の幅広い範囲の用途に使用されている。

大量の２Ｄナノシートをそれらの３Ｄバルク材料から調製するために、これまでに提案されたナノシート製造方法は、機械的剥離または液相剥離（ＬＰＥ）（または、「スコッチテープ法」）のいずれかを含む。機械的剥離から生じる高品質の単層ゆえに、この方法は、固有のシート製造および基礎研究に広く使用されている。それにもかかわらず、この方法は、その低い収量ならびにシートのサイズおよび層数の制御における欠点ゆえに、大規模な実際的な用途には適していない。

ＬＰＥ法においては、通常は粉末の形態である層状の結晶が、通常は適切な溶媒または界面活性剤溶液中で、超音波処理またはせん断混合によって剥離させられる。未剥離の粉末を除去するための遠心分離の後で、この方法は、高品質のナノシートを大量に含む分散液をもたらす。化学的剥離は、機械的剥離と比較して大幅に生産を増加させることができるが、このプロセスにおける超音波処理は、２Ｄ格子構造に欠陥を引き起こし、フレークのサイズを数千ナノメートルに減少させ、大規模集積回路および電子デバイスの分野における２Ｄナノシートの応用を制限する。

近年において、大面積の一様性を有する２Ｄ ＴＭＤの制御可能な作成は、依然として大きな課題である。化学気相成長（ＣＶＤ）法は、大規模集積エレクトロニクスなどの実用的な用途に向けた大きな可能性を示すウェーハスケールでの２Ｄ ＴＭＤの合成が可能であるため、大きな注目を集めている。この方法は、一定の厚さを有する連続した単一膜を調製できるだけでなく、層ごとの移送プロセスの際に導入される界面汚染を大幅に回避する直接成長層状ヘテロ構造を強調する。しかしながら、この方法は、スループットが低く、時間がかかり、専門的技術が必要である。上述の文脈において、本発明のデバイス１０の実施形態は、従来からのＣＶＤ、ＬＰＥ、および機械的剥離方法の有用な代替を提供する。

次に、本発明を、以下の実施例に関して、あくまでも例示として、さらに詳細に説明する。これらの実施例は、本発明を説明するためのものであり、本明細書の全体における説明の開示の一般性を限定するものとして解釈されるべきではない。

実施例１：純粋なＳＡＷ
図７（ａ）～図７（ｃ）を参照すると、音響波マイクロ流体デバイス１０を、標準的なフォトリソグラフィ技術を使用して１２８ＹＸ ＬＮ基板１４（Ｒｏｄｉｔｉ Ｌｔｄ、Ｌｏｎｄｏｎ、ＵＫ）上でｍｍ開口の４０組のフィンガの１０ｎｍ Ｃｒ／２５０ｎｍ Ａｌ ＩＤＴ １２をパターニングすることによって製作することができる。デバイス１０は、基板１４の下面がＩＤＴ １２によってＳＡＷを生成される表面を構成するように、図１に対して反転させられていることに留意されたい。デバイス１０は、ＩＤＴ １２の方向が下面に示されている点を除き、上述してこれまでの図に示したデバイス１０とおおむね同様である。関連する設計パラメータは、ＩＤＴフィンガ１２の幅およびギャップによって決定されるλ_ＳＡＷと基板１４の厚さｈとの間の比であってよい。これらの例において、ｈを一定に維持し、デバイス１０の共振周波数ｆ、したがってλ_ＳＡＷを変更することによって、種々の漸近の事例を実証することができる。ＳＡＷを、信号発生器（ＳＭＬ０１、Ｒｈｏｄｅ ＆ Ｓｃｈｗａｒｚ、Ｎｏｒｔｈ Ｒｙｄｅ、ＮＳＷ、オーストラリア）および増幅器（ＺＨＬ－５Ｗ－１ Ｍｉｎｉ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、Ｍｉｎｉ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、Ｂｒｏｏｋｌｙｎ、ＮＹ １１２３５－０００３、米国）によってＩＤＴ １２へと１０ＭＨｚの共振周波数で正弦波電気入力を印加することによって生成することができる。室温の脱イオン（ＤＩ）水を、試験流体として使用することができる。

したがって、図７（ｃ）の概略図および図８（ｂ）の下段に示されるように、従来からの純粋なＳＡＷデバイスは、λ_ＳＡＷ＜＜１ｈの場合であり、すなわち周波数が高い場合である。この構成において、ＳＡＷが生成される下面に隣接する貫通深さ内に閉じ込められるＳＡＷエネルギーは、基板１４の厚さを通る長さスケールｅｘｐ（－βｚ）にわたって急速に減衰させられ、ここでβは垂直ｚ方向の固体におけるＳＡＷの減衰の減衰係数であり、したがってＳＡＷエネルギーは、基板１４の上面に到達する前に完全に減衰させられる。換言すると、基板１４（すなわち、ＩＤＴ １２がパターン加工されている側）を通るＳＡＷエネルギーの漏れによるこの面の振動は存在しない。代わりに、下面のＳＡＷは、縁へと伝播し、さらにＩＤＴ １２の組によって反射させられない場合には上面へと伝播するが、そのエネルギーは、その伝播方向ｘに沿って基板表面においてｅｘｐ（－αｘ）として減衰し、ここでαは、無限流体中、すなわち空気中、またはデバイス１０上に液体が存在する場合には液体中のいずれかのＳＡＷの長手方向減衰係数である。これを、基板１４の両面におけるＳＡＷの存在を確認する図７（ａ）および７（ｂ）のＬＤＶスキャン画像（ＬＤＶ；ＵＨＦ－１２０；Ｐｏｌｙｔｅｃ ＰＩ、Ｗａｌｄｂｒｏｎｎ、ドイツ）から見て取ることができる。ＳＡＷのさらなる証拠を、図８（ａ）のＬＤＶスキャンの下段において、λ_ＳＡＷよりもはるかに大きい高さを有する液滴はエッカートの流れ（Ｅｃｋａｒｔ ｆｌｏｗ）に起因してＳＡＷの伝搬の方向に移動することに鑑み、ミリメートル寸法の液滴３８が上面および下面に置かれたときにＳＡＷのもとで反対の方向に運ばれていることから見て取ることができる。

実施例２：純粋なＳＲＢＷ
図８（ｂ）の上段の概略図を参照すると、基板１４の厚さが中程度の周波数においてＳＡＷ波長に相当する（すなわち、λ_ＳＡＷ／ｈ～１）ようになる場合、基板の下面に沿って伝播するＳＡＷに関するエネルギーが、基板の厚さ全体に伝わり、したがってもはや基板１４の上側において完全には減衰していない。したがって、バルク波が基板１４の厚さ全体にわたって存在し、ＳＡＷとの位相不整合および基板１４内での複数の内部反射ゆえに、ＳＲＢＷと称することができる上面に沿った移動バルク表面波として現れる。そのような波の個別の正体は、おそらくはそれらが望ましくなく、抑制されるべきであるという１９５０年代以降の長年の考えの結果として、これまでは見過ごされ、あるいは単純に包括的なバルク音響波として基板１４の厚さを貫く幅広くさまざまな他の不要なバルク波モードとまとめて言及され、もしくは混ぜ合わされてきた。

純粋なＳＲＢＷの存在は、図８（ｂ）の上段に示されるＬＤＶスキャンおよび対向する液滴の移動の挙動から確認することができる。ＳＲＢＷが基板１４の上面への吸収性ゲル４０（Ｇｅｌｔｅｃ Ｌｔｄ、Ｙｏｋｏｈａｍａ、日本国）の配置によって抑制されると、純粋なＳＡＷが存在し、その伝播の方向に基板１４の下面に沿って付着性の液滴３８を移動させるだけでなく、縁を巡って上面へと液滴を押すことも見て取ることができる。これとは対照的に、ＳＡＷが上面へと回り込むことがないように下面の縁のゲル４０によって吸収される場合、ＳＲＢＷが、ＳＡＷが縁を巡って基板１４の上面へと移動した場合に生じさせると考えられる移動の方向とは反対であるＳＲＢＷの伝播の方向に沿って移動するように液滴を駆動する。

実施例３：混成ＳＡＷ／ＳＲＢＷ
図１１（ｃ）は、効率的なマイクロ流体の取り扱いのために基板１４の両面におけるＳＡＷとＳＲＢＷとの組み合わせを利用するように構成され、すなわちλ_ＳＡＷ／ｈ～１を必要とすることによって構成されたデバイス１０を示す。図９（ａ）～図９（ｃ）および図１０（ａ）～図１０（ｃ）にそれぞれ示される純粋なＳＲＢＷまたは純粋なＳＡＷによって駆動されるマイクロ流体の取り扱いまたは噴霧化と比較して、図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、例えば噴霧化速度が１桁大きくなるなど、以下では混成共振音響（ＨＹｂｒｉＤ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ）（ＨＹＤＲＡ）と呼ばれることもある両方の現象の組み合わせ時のマイクロ流体の取り扱いまたは噴霧化性能の顕著な向上の存在を示している。他方で、レーザー回折（Ｓｐｒａｙｔｅｃ、Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｍａｌｖｅｒｎ、英国）によって割り出される生成されたエアロゾルのサイズ分布は、平均空気力学的直径が、肺胞領域へと薬物を最適に送達するために適した１～３μｍの範囲内にあることを示している。この範囲を上回るエアロゾルは、呼吸器の高度に分岐した枝分かれのネットワークを進む際に吸入の気流の軌道に従うことができないがゆえに、大部分が上気道に付着してしまい、この範囲を下回るエアロゾルは、吐き出されてしまう傾向にある。

図１２は、この実施例において生成された混成ＳＡＷ／ＳＲＢＷの典型的なＬＤＶプロファイルであり、図１３は、実施例１において生成された純粋なＳＡＷの典型的なＬＤＶプロファイルである。

本発明の実施形態は、マイクロ流体の霧化または噴霧化速度を１ｍｌ／分以上へと高める必要がある用途および動作などの幅広い範囲のマイクロ流体の用途および動作に有用な音響波エネルギーの利用を向上させた小型でコンパクトな低コストの電池駆動の音響波マイクロ流体デバイスを提供する。流体および液滴の噴霧化および霧化に加えて、実施形態のデバイスによって実行されるマイクロ流体操作は、これらに限られるわけではないが、流体の輸送、混合、ジェット化、選別、遠心分離、粒子の捕捉、粒子の選別、コーティング、カプセル化、取り扱い、およびこれらの組み合わせなど、ニオブ酸リチウム（および、他の圧電基板）における全ての他の代替または同等の種類の音響波マイクロ流体操作を含むことができる。本発明の異なる実施形態は、異なるモードの音響波エネルギー（ＳＡＷ、ＳＲＢＷ、および定在音響波）の異なる組み合わせを使用して、液体の霧化に利用可能な正味の音響波エネルギーを最適化するように異なって構成される。これは、これまでに提案されたデバイスと比較して、流体、液滴、液体、または反応のマイクロ流体的な取り扱いのきわめて高くかつ効率的な速度を提供することができる音響波マイクロ流体デバイスをもたらす。

本明細書の目的において、用語「・・・を備えている／・・・を含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「・・・を含むが、・・・に限られない」を意味し、用語「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」は、対応する意味を有する。

上述の実施形態は、あくまでも例示として示されているにすぎず、以下の特許請求の範囲の技術的範囲において変更が可能である。

Claims (12)

1. デバイスであって、
   基板上の電気音響トランスデューサと、
   前記電気音響トランスデューサに電磁波エネルギーを供給するための電源と、
   液体物質の供給源と
   を備えており、
   前記電気音響トランスデューサおよび前記基板は、前記供給源から前記基板への前記物質の移動、および前記基板上での前記物質の霧化または噴霧化に使用される音響波エネルギーを生成するように構成されており、
   前記音響波エネルギーは、表面音響波と表面反射バルク波との組み合わせを含み、前記表面反射バルク波は、前記基板の第１の表面および前記基板の前記第１の表面と反対側の第２の表面の間における内部反射によって前記第１および第２の表面に沿って伝播し、
   前記デバイスは、前記基板の厚さが、前記表面音響波の波長にほぼ等しいように構成されている、デバイス。
2. 前記表面音響波と表面反射バルク波との組み合わせは、前記供給源から前記基板への前記物質の移動、および前記基板上での前記物質の霧化または噴霧化に使用される、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記音響波エネルギーは、前記電気音響トランスデューサにおける定在音響波をさらに含み、前記音響波エネルギーは、前記物質を前記供給源から前記基板に沿って前記電気音響トランスデューサへと薄い液体膜として移動させ、前記電気音響トランスデューサにおける前記定在音響波は、前記薄い液体膜を霧化または噴霧化させる、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記物質の前記供給源は、前記基板の表面、前記基板の側縁、前記基板の端縁、またはこれらの組み合わせの上、内部、または近接して配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記基板は、単結晶圧電基板を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記物質は、薬物、可溶性物質、ポリマー、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、細胞、幹細胞、香水、香料、ニコチン、化粧品、農薬、殺虫剤、およびこれらの組み合わせから選択される機能性または治療用の作用薬を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記液体物質は、１ｍｌ／分以上の速度で霧化または噴霧化される、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイスを使用することを備える方法。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイスを備える、肺へと薬物を送達するための吸入器またはネブライザ。
9. 音響波エネルギーを使用して、液体物質を前記液体物質の供給源から基板へと移動させるステップと、
   前記混成音響波エネルギーを使用して、前記基板の少なくとも一方の表面上の前記物質を霧化または噴霧化するステップと
   を含んでおり、
   前記音響波エネルギーは、前記基板の前記少なくとも１つの表面に沿って伝播する表面音響波を、前記基板の前記少なくとも一方の表面と前記基板の少なくとも１つの別の表面との間を内部反射する表面反射バルク波との組み合わせにて含み、
   前記基板の厚さは、前記表面音響波の波長にほぼ等しい、方法。
10. 請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイスを使用して、溶解物質を霧化または噴霧化し、１ｎｍ～１ｍｍの直径を有する粒子、粉末、または結晶を生成するステップ
    を含む方法。
11. 請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイスを使用して、１ｎｍ～１ｍｍの直径を有する粒子または粉末で治療の目的のための薬物分子をコーティングし、あるいは包むステップ
    を含む方法。
12. 請求項１から６のいずれか一項に記載の前記デバイスを使用して、三次元（３Ｄ）のバルクの形態から二次元（２Ｄ）の剥離した形態へと材料を剥離させるステップ
    を含み、
    前記材料は、グラフェン、チッ化ホウ素（ＢＮ）、遷移金属ジカルコゲナイド、遷移金属酸化物、黒リン、シリセン、ゲルマネン、およびこれらの組み合わせを含む、方法。

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