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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

基本信息

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

项目摘要

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。

OpenFOAM is a method of analyzing free surface flow and water droplet transport on a substrate. The calculation quantity is reduced, the amplitude is matched, and the pure flow path is used. The shape of the flow path (width matching, opening angle), viscosity, density, surface tension of the droplet, and the viscosity of the substrate (contact angle of the droplet) are changed to quantitatively evaluate the transport speed of the droplet. The surface tension of droplets in the same open-type flow path is small, and the surface tension of droplets is large. The segmentation method is based on the sensitivity of the calculation results, the determination of the appropriateness of the quantitative analysis, the necessity of the qualitative analysis, and the observation of the same tendency. This knowledge is based on the design guidelines for the development of open flow paths for liquids with low surface tension in the future. High surface tension liquids (water) and low surface tension liquids are suitable for open flow path preparation. Ultraviolet light irradiation with medium acid/Capstone ST-100 mixture is used for ultra-hydrophobic and ultra-hydrophilic materials. Self-organizing molecular films (SAM) are prepared by removing SAM from selected sites using ultraviolet light. Liquid droplets are transported to and from the SAM. This paper discusses the possibility of open flow path operation of SNF in the presence of water and oil repellent materials and low surface tension liquids.