JP7048086B2 - 液滴の運動制御方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (4)
- 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
を含み、
前記部材を用意することは、
母材を用意することと、
前記母材に延伸歪みを与えることと、
前記母材の表面に前記母材のガラス転移温度よりも高いガラス転移温度を有する材料の薄膜を形成し、表面に薄膜が形成された試料を得ることと、
前記母材のガラス転移温度よりも高く、かつ前記薄膜を形成する材料のガラス転移温度よりも低い温度で前記試料を加熱し、前記母材の延伸歪みを解放することと
を含む、液滴の運動制御方法。 - 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。 - 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。 - 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。
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