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

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。

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。