Toward Lab-in-a-drop: Contactless droplet manipulation by acoustic field

迈向液滴实验室：通过声场进行非接触式液滴操纵

• 批准号: 20H02070
• 负责人: 長谷川 浩司
• 金额: $ 11.65万
• 依托单位: Kogakuin University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02070/
• 关键词: 非接触流体マニピュレーション; 音場浮遊法; 液滴; Lab-in-a-drop; 混相流; 非線形ダイナミクス; 混合; 蒸発; Lab in a drop; 反応

本研究は、音場浮遊液滴に生じる流動、熱・物質輸送現象ならびに浮遊液滴の安定制御条件の解明のために現象の支配的パラメータを同定し、複数プロセスの連続的操作を可能とすることを目指す。すなわち、Lab-in-a-dropの実現に向けた音響場による非接触流体マニピュレーションの概念実証を行うことを目的とする。本年度は、非接触マニピュレーションの実現の鍵となる「異種液滴を用いた浮遊～蒸発」のプロセス実証と統合に取り組んだ。異種流体の組み合わせの一例として、水、エタノール、アニス油を用いたOuzo効果を発現する系で実証した。水、エタノール、アニス油の3成分液滴では、エタノール成分の蒸発とともにOuzo現象と呼ばれる自然乳化現象が生じることが知られているものの、その多くは固体基板上での現象観察が主で、音響場で安定浮遊させた状態で現象観察したケースは皆無である。今回、各種成分濃度をパラメータに、浮遊させた3成分液滴でのOuzo現象の発現タイミングや現象の継続時間を系統的に明らかにした。加えて、Ouzo液滴を浮遊させた場合に、エタノール成分の蒸発が進展することで自然乳化することのみならず、やがて油水分離が生じることで浮遊液滴内での液液相分離を実現可能であることが明らかとなった。これは液滴のダイナミクスを明らかにする意味で学術的価値があると同時に、Lab-in-a-dropの実現に向けた音響場による非接触流体マニピュレーションの応用可能性を示唆するものであると考えられる。得られた成果については、2022年度は3件の学会発表を行い、1報の原著論文および1報の総説論文が出版となった。

This study is aimed at determining the flow, heat and mass transport phenomena of suspended droplets in sound field and the control conditions of suspended droplets, and the possible operation of multiple suspended droplets. Lab-in-a-drop implementation of the concept of non-contact fluid This year, the key to the realization of non-contact liquid droplets is to integrate the realization of heterogeneous liquid droplets into floating and evaporating liquid droplets. An example of heterogeneous fluid composition is the discovery of water, oil, and water. Water, oil and other three components of liquid droplets, water, oil and other components of the evaporation and development of the Ouzo phenomenon and the natural emulsification phenomenon. In this paper, the concentration of various components is different from each other, and the three components of the droplet are separated. In the case of suspended droplets, the evaporation of the components in the suspension may progress, and the separation of liquid and liquid in the suspension droplets may occur. This means that the academic value of the drop is equal to that of the Lab-in-a-drop. In 2022, three academic papers were published, one original paper and one comprehensive paper were published.

项目成果

Acoustic Levitation From Physics to Applications

声悬浮从物理到应用

• 发表时间: 2020
• 作者: Duyang Zang;Asier Marzo;Marco A. B. Andrade;Xiao-Peng Chen;Zehui Zhang;Kangqi Liu;Koji Hasegawa;Yanju Wei;Da-Chuan Yin;Soichiro Tsujino;Takashi Tomizaki
• 通讯作者: Takashi Tomizaki

音場浮遊液滴に生じる蒸発および析出プロセスの解明

阐明声场悬浮液滴中发生的蒸发和沉淀过程

• 发表时间: 2020
• 作者: F. L. Hutapea;T. Tsuji;Katou;M.;Asakawa;E.;丸山侑太郎，長谷川浩司
• 通讯作者: 丸山侑太郎，長谷川浩司

Transport Phenomena of a Droplet in Acoustic Levitation

声悬浮中液滴的传输现象

• DOI: 10.15011/jasma.37.2.370201
• 发表时间: 2020
• 期刊: International journal of microgravity science and application
• 影响因子: 0.9
• 作者: Koji Hasegawa;Yutaka Abe
• 通讯作者: Yutaka Abe

Heat and mass transfer characteristics of binary droplets in acoustic levitation

• DOI: 10.1063/1.5144396
• 发表时间: 2020-07-01
• 期刊: PHYSICS OF FLUIDS
• 影响因子: 4.6
• 作者: Sasaki, Y.;Hasegawa, K.;Abe, Y.
• 通讯作者: Abe, Y.

浮遊液滴非線形ダイナミクス研究報告

悬浮液滴非线性动力学研究报告

• 发表时间: 2022
• 作者: 安田勇輝;大西領;廣川雄一;Dmitry Kolomenskiy;杉山大祐;阿部豊，松本聡，西成活裕，谷田桜子，渡辺正，北畑裕之，小谷野由紀，長谷川浩司，金子暁子，本田恒太，相子珠希
• 通讯作者: 阿部豊，松本聡，西成活裕，谷田桜子，渡辺正，北畑裕之，小谷野由紀，長谷川浩司，金子暁子，本田恒太，相子珠希