Development of non-contaminated flow control technique using photoresponsive surfactant solution with reversible viscosity change

利用具有可逆粘度变化的光响应表面活性剂溶液开发无污染流量控制技术

基本信息

批准号：
22K03933
负责人：
石川仁
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は，紫外光（UV光）と可視光の交互照射により粘性が可逆的に変化する界面活性剤を利用し，粘性由来の摩擦抵抗を非接触で自在にコントロールできる流れ制御手法を開発するものである．界面活性剤はUV光の照射で粘性が増加，可視光の照射で粘性が減少する性質をもつカチオン/アニオン性界面活性剤（CTAB/C4AzoNa）である．本年度は，まず始めに，静止した溶液に光を照射して局所的に粘性を変化させることができるかを調べる実験を行った．光源にはUV光に波長が近いブルーレーザーを用い，それをシート光にしたものを容器内に薄くはったCTAB/C4AzoNa溶液に照射した．その結果，シート光と同じ範囲に溶液色の変色（赤褐色化）がみられ，粘性を局所的に増加させられることを確かめた．次に流路を想定した同心回転二重円筒装置を製作して，円筒間に形成されるせん断の強いクエット流れ中の溶液にUV光を局所照射して，流動場中でも局所な粘性変化を起こせるかと，またその際に内円筒に与える摩擦で生じるトルク変化を調べた．まずUV光を局所照射した場合の粘度変化の様子として，UV照射部分から赤褐色化した高粘性の溶液が，クエット流れに沿って流動する様子が確認できた．このことから，UV光を局所的に照射することで流動場中の溶液の粘性を局所的に増加できることがわかった．溶液にUV光を120分局所照射することでトルクを照射前から約5倍以上増加でき，その後連続して可視光を全体照射することでトルクが減少し，流動場中でも粘性の可逆的制御が達成できた．また溶液にUV光を120分，今度は全体に照射するとトルク変化は約3倍にとどまり，UV光を全体照射した場合よりも局所照射した場合がトルクをより大きく増加できる結果が得られた．このことは光の照射強度と照射方法が溶液の粘性変化の程度に大きく影響することを示唆するものである．

本研究利用通过紫外线（UV光）和可见光的交替照射而使粘度发生可逆变化的表面活性剂，开发出能够在非接触的情况下自由地控制由粘度产生的摩擦阻力的流量控制方法。该表面活性剂为阳离子/阴离子表面活性剂(CTAB/C4AzoNa)，其粘度在暴露于紫外光时增加，而在暴露于可见光时降低。今年，我们首先进行了一项实验，研究是否可以通过光照射来局部改变固定溶液的粘度。使用波长接近紫外光的蓝色激光作为光源，将一片光照射到容器内薄薄铺展的CTAB/C4AzoNa溶液上。结果，在与片状光相同的区域中观察到溶液颜色的变色(红褐色)，确认可以局部增加粘度。接下来，我们制作了一个假定流路的同心旋转双圆柱装置，并用紫外光对圆柱体之间形成的强剪切力局部照射库埃特流中的溶液，甚至在流场中也引起了局部粘度变化。此时内筒受到摩擦力而产生的扭矩。首先，我们观察了局部紫外线照射时粘度的变化，观察到红棕色、高粘度溶液从紫外线照射区域沿着库埃特流流动。这表明，通过对流场中的溶液进行局部照射紫外光，可以使其粘度局部增加。通过用紫外光局部照射溶液120分钟，扭矩可以比照射前增加5倍以上，然后用可见光连续照射整个溶液，扭矩减小，即使在我能够实现它。此外，当整个溶液用UV光照射120分钟时，扭矩变化保持在大约三倍，这表明当局部照射UV光时扭矩可以比整个溶液照射时增加更多。这表明光照射的强度和照射方法极大地影响溶液粘度的变化程度。