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

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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．