ナノメータサイズのチャネルにおける流体挙動の解明

阐明纳米尺寸通道中的流体行为

基本信息

批准号：
12875035
负责人：
松本潔
金额：
$ 1.47万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12875035/
关键词：
ナノチャネル高速原子線圧力損失

项目摘要

平成13年度は、ハードウエアの製作プロセスを確立し、さらにナノチャネルを備えた実験装置を試作して、実際に流体を流して理論解析のデータと比較を行った。実験ハードウエアは、ガラスの基板上に作成した。基板上には、ナノチャネル部、導入チャネル部、圧力検出部が配置される。ナノチャネル部は、電子線描画装置を用いて幅数百nmのパタンを描き、高速原子線によるエッチングで深さ方向の加工を行った。導入チャネル部、圧力検出部の加工には、数μmの微細シリカ粒子をぶつけて加工を行うパウダービームを用いた。加工した基板とカバーガラスの接合は、表面を親水性処理をした後、フッ酸による接合を行った。実験装置では、基板外部に設置したシリンジポンプを用いてチャネルに流体を流した。圧力の測定は、基板上に液だめを設け、液だめのカバーが圧力により変形するときの歪みを検出した。圧力降下を防ぐため、この圧力検出部は基板上のナノチャネルの直前に設けてある。幅470nm、深さ170nm、長さ5μmのナノチャネルを500本平行に有する流路を作成し、さらに流量を10、20、30μl/hと変化させて特性評価を行った。30μl/hの流量時、1750kPaの圧力損失であった。理論計算による圧力損失はで515kPaであり、ほぼ3倍の値となった。本研究で、ナノチャネルの作成プロセスの確立を行うことが出来た。チャネル内の流動特性は、圧力損失のこの領域でのオーダーは判ったが、まだ理論値とは3倍程度の開きがある。これは、チャネルが小さくなったことによる壁面の濡れ性の影響、水のクラスターの影響によるものと考えられる。実験装置としては、ポンプ、センサなどが、微小流量を扱うのには最適なものとは言えない。特に流量の計測は難しく、微小流量を精密に計測するセンサの開発が必須である。

2001财年，我们建立了硬件制造流程，制作了配备纳米通道的实验装置原型，并通过实际流动的流体与理论分析数据进行了比较。实验硬件是在玻璃基板上制造的。基板上设置有纳米通道部、导入通道部以及压力检测部。对于纳米通道截面，使用电子束描绘装置描绘宽度为数百nm的图案，并使用高速原子束在深度方向上进行蚀刻。使用粉末束通过用几微米大小的细二氧化硅颗粒轰击引入通道部分和压力检测部分来加工它们。处理后的基板和盖玻璃在表面进行亲水处理后，使用氢氟酸粘合。在实验装置中，使用放置在基板外部的注射泵使流体流过通道。通过在基板上设置储液器并检测储液器的盖因压力而变形时的变形来测量压力。为了防止压力下降，该压力传感部件被放置在基板上的纳米通道之前。制作宽度为470nm、深度为170nm、长度为5μm、具有500个平行的纳米通道的通道，通过将流速改变为10、20和30μl/h来评价特性。流速为 30 μl/h 时，压降为 1750 kPa。理论计算的压力损失为515kPa，几乎是实际值的三倍。在这项研究中，我们能够建立一个创建纳米通道的过程。虽然我们发现通道内的流动特性与该区域的压降量级相同，但与理论值仍有大约三倍的差异。这被认为是由于通道变小而导致壁面润湿性的影响以及水团簇的影响。至于实验设备，泵、传感器等不能说是处理微小流量的最佳选择。测量流量尤其困难，因此开发能够精确测量微小流量的传感器至关重要。