Systematic understanding of fractal open microfluidics and its application to a new mechanism of oil/water separation

分形开放微流控的系统理解及其在油水分离新机制中的应用

• 批准号: 21H01775
• 负责人: 甲斐 洋行
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Toyo University (2023)Tokyo University of Science (2021-2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01775/
• 关键词: 開放型流路; 空間充填木; ジェネレーティブデザイン; 表面濡れ性; 流体解析; 開放型マイクロ流路; 濡れ性; 表面張力; フラクタル; 自由表面流れ解析

OpenFOAMソフトウェアを用いたvolume of fluid法による自由表面流れ解析によって、濡れ性パターニングを施した基板表面上における水滴の輸送挙動を検討した。計算量を削減するため、幅に勾配があり、分岐のない、単純な開放型マイクロ流路を用いた。流路の形状（幅の勾配・開き角）、液滴の粘度・密度・表面張力、基板の濡れ性（液滴の接触角）を様々に変化させて液滴の輸送速度を定量的に評価した。同一の開放型流路において、用いる液滴の表面張力が小さくなると液滴の輸送が劇的に遅くなることが明らかとなった。メッシュの分割方法によって計算結果が比較的敏感に変化することも判明しているため、定量的な妥当性については検証を進める必要があるが、少なくとも定性的にはメッシュの分割方法によらず同一の傾向が観察された。この知見は、今後低表面張力の液体（ヘキサデカンなど）のための開放型流路を開発する際の設計指針になると考えられる。また、高表面張力の液体（水など）、低表面張力の液体それぞれに適用可能な開放型流路を作製するために、以前に用いていた酸化チタン／Capstone ST-100混合物への紫外光照射による超撥水・超親水パターニングとは異なる材料による、濡れ性パターニングと開放型流路の作製を検討した。自己組織化単分子膜（SAM）のマイクロコンタクトプリンティングや、紫外光を用いたリソグラフィーによる部位選択的なSAMの除去などを検討したが、液滴が輸送されるほどの十分な濡れ性のコントラストを得るには至らなかった。そこで、別の撥水・撥油材料として、トリクロロメチルシランの加水分解によって形成されるシリコーンナノフィラメント（SNF）およびフッ素化合物によるSNFのコーティングを検討し、低表面張力の液体に対する開放型流路の作製の可能性が示された。

使用 OpenFOAM 软件，通过流体体积法进行自由表面流分析，研究了水滴在具有润湿性图案的基底表面上的传输行为。为了减少计算量，我们使用了一个简单的开放式微通道，具有倾斜的宽度并且没有分支。通过改变通道的形状（宽度梯度、开口角度）、液滴粘度、密度、表面张力和基底润湿性（液滴接触角）来定量评估液滴传输速度。已经发现，在同一开放通道中，随着所用液滴的表面张力降低，液滴传输显着减慢。还知道，计算结果根据网格划分方法而变化相对敏感，因此有必要进行定量有效性的验证，但至少在定性上观察到无论网格划分方法如何，趋势都是相同的。这些知识可以作为未来开发低表面张力液体（例如十六烷）开放通道的设计指南。此外，为了创建可应用于高表面张力液体（例如水）和低表面张力液体的开放通道，我们对之前使用的二氧化钛/Capstone ST-100混合物进行了紫外光照射研究。使用不同于超疏水/超亲水图案化的材料来图案化和制造开放通道。我们已经考虑了自组装单层 (SAM) 的微接触印刷和使用紫外光的光刻技术对 SAM 的位点选择性去除，但我们尚未实现与传输液滴的足够的润湿性对比。因此，我们研究了通过三氯甲基硅烷水解形成的有机硅纳米丝（SNF）以及用氟化合物涂覆SNF作为其他防水防油材料的可能性。

项目成果

Space-filling open microfluidic channels with fractal wettability patterning for the efficient droplet collection

具有分形润湿性图案的空间填充开放微流体通道，可有效收集液滴

• 发表时间: 2021
• 作者: Chan Feng-Yueh;Kurosaki Ryo;Ganser Christian;Takeda Tetsuya;Uchihashi Takayuki;Hiroyuki Kai
• 通讯作者: Hiroyuki Kai

分岐を有する開放型マイクロ流路における水滴輸送・融合の数値解析

带分支的开放微通道中水滴传输和融合的数值分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Yao Yao;Taiki Inoue;Makoto Takamura;Yoshitaka Taniyasu and Yoshihiro Kobayashi;甲斐洋行
• 通讯作者: 甲斐洋行