局所加熱下の蒸気バブル挙動解明と新規マイクロ物体駆動技術の創出

阐明局部加热下的蒸汽泡行为并创建新的微对象驱动技术

基本信息

批准号：
21H01784
负责人：
名村今日子
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Kyoto University
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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01784/
关键词：
蒸気バブル核形成マイクロ物体駆動光熱変換ナノ構造薄膜

项目摘要

バブルは表面張力やダイナミックな体積変化，生成消滅が可能であることなどから，ソフト機械部品としてすでに広く注目されている．しかし，μm・nmスケールでの挙動制御は確立されていない．そこで本研究では，ナノ構造光熱変換薄膜を用いた流体の局所加熱によって，蒸気バブル生成消滅過程および周辺に働く力の解明を行っている．令和３年度は，回折位相法を用いた高速定量位相顕微鏡の試作とバブルが発生する力の評価のための試料・装置作りを進めた．流体の局所加熱によってバブルを生成したり，その動きを制御したりするためには，流体中の温度分布を知ることは重要である．流体の光の屈折率は温度によって変化するので，定量位相顕微を行うことで流体中の温度分布に関する情報を得ることができる．そこで，光熱加熱によるバブルの生成とその定量位相顕微鏡を用いた観察を同時に行うことができる光学系を作製した．そして，空気バブルが生成する時の周辺流体中の位相分布の変化を捉えることに成功した．さらに，位相分布から温度分布への逆変換にも成功した．今後は高速度カメラの導入等により定量位相顕微の高速化を行う．また，バブルダイナミクスおよび周辺温度の測定と発生する力の評価のための試料・装置作りでは，光熱変換薄膜をつけた数百μm程度の大きさのチップを作製した．また，チップにレーザーを照射しながら，チップの動きを多方向から捉えるための光学系を作製した．さらに，チップ上でのバブル生成密度を高めるために，光熱変換薄膜の非稠密パターンを作製する手法を検討した．その結果，チップと同程度の範囲に最大５個のバブルを同時に生成し，強い対流を生むことに成功した．今後はチップの動きの評価などを行っていく．

气泡作为软机械部件，由于其能够施加表面张力、动态体积变化以及产生和消失的能力，已经引起了广泛的关注。然而，微米/纳米尺度的行为控制尚未建立。因此，在这项研究中，我们通过使用纳米结构光热转换薄膜局部加热流体来阐明蒸气泡的产生和消失过程以及作用在周围区域的力。 2021年度，我们继续生产使用衍射相位法的高速定量相位显微镜的原型，以及用于评估气泡产生力的样品和设备的生产。为了产生气泡并通过流体的局部加热来控制气泡的运动，了解流体中的温度分布非常重要。由于光在流体中的折射率随温度变化，因此可以通过执行定量相显微镜获得有关流体中温度分布的信息。因此，我们创建了一个光学系统，可以通过光热加热同时产生气泡，并使用定量相位显微镜观察它们。我们还成功地捕获了气泡产生时周围流体中相分布的变化。此外，我们成功地将相位分布转换回温度分布。未来，我们将通过引入高速相机来提高定量相显微镜的速度。此外，为了创建用于测量气泡动力学和环境温度并评估所产生的力的样品和设备，我们制造了一个尺寸为数百微米的芯片，并涂有光热转换薄膜。我们还创建了一个光学系统，可以在用激光照射芯片时从多个方向捕获芯片的运动。此外，为了增加芯片上气泡产生的密度，我们研究了一种制造非致密图案的光热转换薄膜的方法。结果，我们成功地在与芯片大小相当的区域内同时产生了多达五个气泡，从而产生了强烈的对流。后续我们会对芯片的机芯进行评估。