イオンダイオードを用いたマイクロ・ナノ流動現象の究明

使用离子二极管研究微/纳米流现象

基本信息

批准号：
21H01246
负责人：
土井謙太郎
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
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 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究課題は，これまで独自に研究開発を行ってきた，液中のイオン濃度測定技術を確実なものにし，さらには，それを用いてマイクロ・ナノスケールの流動現象を究明することを目的とする．従来，トレーサ粒子を用いた流動現象の可視化が行われてきたが，ナノ流路においては粒子の大きさや物性が流動現象に及ぼす影響が無視できないことが危惧されることから，さらに微小なトレーサ粒子が必要とされる．一方で，可視光では位置と速度を正確に測定するための十分な分解能を得ることが困難となる．そこで，液体中で最小の粒子と考えられるイオンを用いて流動現象を解析する方法を提案したい．そのために，ナノ流路構造において非対称な電流電圧特性を示すイオンダイオードを作製してイオンの濃度測定法を確立し，それを用いてイオン電流と流動現象の相関を調べ，理論モデルに基づいてナノ流路内部の流れ場を定量評価するための方法論を構築する．本年度は，シリコン基板にエッチングにより作製したナノ流路とシリコーン樹脂に形成したマイクロ流路を直交するように接着して一体とした試験用流路を作製した．流路を電解質溶液で満たし，マイクロ流路の液体をシリンジポンプにより駆動しながら，シリコン基板上のナノ流路にイオン電流を発生させて液の流動に対するイオン電流応答を計測するシステムを構築した．実験の結果，マイクロ流路を流動する液の流量に応じたイオン電流応答を確認した．液が静止した状態のイオン電流に対して，マイクロ流に流動がある場合にイオン電流に対する単調な抵抗の増加が見られることから，イオン電流による流動の定量評価が期待される．

该研究项目的目的是巩固自主研发的液体离子浓度测量技术，并利用其研究微米和纳米尺度的流动现象。传统上，流动现象是使用示踪粒子来可视化的，但人们担心在纳米通道中不能忽视颗粒尺寸和物理性质对流动现象的影响，因此需要使用更小的示踪粒子。另一方面，对于可见光，很难获得足够的分辨率来精确测量位置和速度。因此，我们想提出一种使用离子分析流动现象的方法，离子被认为是液体中最小的颗粒。为此，我们创建了一种在纳米通道结构中表现出不对称电流-电压特性的离子二极管，建立了测量离子浓度的方法，用它来研究离子电流与流动现象之间的相关性，并基于理论模型，我们我们建立了一种测量离子浓度的方法，构建了一种定量评估通道内流场的方法。今年，我们制造了一个测试通道，其中蚀刻在硅基板上的纳米通道和在硅树脂中形成的微通道相互正交粘合。我们构建了一个系统，其中通道充满电解质溶液，微通道中的液体由注射泵驱动，在硅基板上的纳米通道中产生离子电流，离子电流对流体流动的响应为测量。实验结果表明，离子电流响应取决于流经微通道的液体流量。与液体静止时的离子电流相比，当微流中存在流动时，观察到离子电流的阻力单调增加，因此期望使用离子电流对流动进行定量评估。