4. 結論
本研究では撥水性微細構造を有するマイクロチャネルにおける気液界面の可 視化及び圧力測定を行うことにより,微細構造の形状が気液界面形成,流入圧に 与える影響を明らかにすることを目的とした.以下に本研究で得られた結論を 述べる.
1.3種類の異なる撥水性微細構造を備えたマイクロチャネルと微細構造加工が 施されていないマイクロチャネルの計4種類のマイクロチャネルを用いて,気 液界面の可視化実験及び圧力測定を行ったところ,流入直後すぐに微細構造間 に気液界面が形成されている様子が観察された.また,壁面上方400µm, 200µm,
100µm の位置を移動する気液界面の始点からの移動距離を測定したところ,微
細構造の幅が小さくなるほど気液界面の速度が大きくなり,また,壁面に近いほ ど速度差は大きくなる様子が観察された.圧力測定においては,流入直後は微細 構造の幅が小さいものほど圧力勾配が小さくなる様子が観察された.
以上のことから,流入直後の気液界面の速度には壁面近傍の流れが影響して おり,微細構造幅が小さいものほど流入しやすい流路作成に適しているという 可能性を示唆した.
2.二重粗さを含む 4 種類の微細構造を備えたマイクロチャネルを用いて,気 液界面の可視化実験及び圧力測定を行ったところ,流路孔から5mmの位置にお いて,二重粗さを備えた流路は一重粗さのものと比較して,界面が進む速度が速 くなっていた.また,二重粗さを備えた微細構造は同じ幅の一重粗さと比較して,
気液界面の三重線が微細構造エッジ部に到達した際の微細構造部分に濡れ広が る速度が遅くなる様子が観察された.供試流体としてエタノール混合溶液を用 い,壁面の濡れ性を変化させたところ,流路が親水性になるほど流入孔付近の微 細構造に水が流入する様子が観察された.流路孔から5mmの位置において,二 重粗さを備えた流路は一重粗さのものと比較して,界面が進む速度が速くなっ ており,圧力勾配も低くなっていたことから二重粗さを用いることでより効率 的に流体を流せるという可能性を示唆した.
参考文献
(1)Jingxian Zhang 、 Zhaohui Yao , Pengfei Hao“Formation and evolution of air–
water interfaces between hydrophilic structures in a microchanne“ Microfluid Nanofluid (2017) 21:135
(2)M. Sbragaglia, and A. Prosperetti, “A note on the effective slip properties for microchannel flows with ultrahydrophobic surfaces” Physics of Fluids 19, 043603 (2007)
(3)Ian Papautsky, Tim Ameel, A. Bruno Frazier, ‘’A review of laminar single-phase flow in miclochannels” ASME international Mechanical Engineering Congress and Exposition, (2001) New York, NY
(4)Ou, J., Blair, P., Jonathan, P. R., “Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surface,” Physics of Fluids, Vol.16, (2004), pp.4635-4643.
(5)Doyoung Byun, Jihoon Kim, Han Seo Ko, and Hoon Cheol Park, “Direct measurement of slip flows in superhydrophobic microchannels with transverse grooves”, Physics of fluids, 20, 113601 (2008)
(6)C.G.Jiang, S.C.Xin, and C.W.Wu, “Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom”, AIP Advances, 032148, (2011)
(7)Peng Gao and James J.Feng, “Enhanced slip on a patterned substrate due to depinning of contact line”, Physics of fluids, 21, 102102, (2009)
(8) Svetlana Kojevnikova, Abraham Marmur ”Multi-scale roughness and the Lotus effect:
Discontinuous liquid-airinterfaces”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,Volume 521,2017,Pages 78-85,
(9) Yang He, Qingqing Zhou, Shengkun Wang, Ruyuan Yang, Chengyu Jiang, and
Weizheng Yuan, “In Situ Observation of Dynamic Wetting Transition in Re-Entrant Microstructures”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Volume 521, 2017, Pages 78-85,
(10) Huaping Wu, Kai Zhu, Bingbing Wu, Jia Lou, Zheng Zhang, Guozhong Chai,
“Influence of structured sidewalls on the wetting states andsuperhydrophobic stability of surfaces with dual-scale roughness”, Applied Surface Science, Volume 382, 2016, Pages 111-120,
(11) T.Young , Philos , “An Essay on the Cohesion of fluids, ” Transaction.Royal Society of London ,95 ,65 ,(1805)
(12) Robert N. Wenzel, ’’Resistance of solid surfaces to wetting by water” Engineering Chemistry (1936)
(13) A.B.D.Cassie, S. Baxter ’’Wettability of porous surface” Transactions of the Faraday Society (1994)
(14) C. W. Extrand, ‘’Remodeling of Super-hydrophobic Surfaces’’ LANGMUIR Vol. 32 (2016)
(15) トゥジェンヌ, ブロシャール- ヴィアール, ケレ共著 「表面張力の物理学
- しずく、あわ、みずたま、さざなみの世界 - 」, 吉岡書店 , 2003.
(16) Jingxian Zhang ・ Zhaohui Yao・ Pengfei Hao, “Formation and evolution of air–water interfaces between hydrophilic structures in a microchannel”, Microfluid Nanofluid (2017) 21:135
(17) Hwan Choi, Umberto Ulmanella, Joonwon Kim, Chih-Ming Ho, and Chang-Jin Kim,” Effective slip and friction reduction in nanograted superhydrophobic microchannels”, Physics of Fluids 18, 087105 (2006)
(18) Jonathan P. Rothstein,” Slip on Superhydrophobic Surfaces” Annu. Rev. Fluid Mech. 2010. 42:89–109
(19) Doyoung Byun, Jihoon Kim, Han Seo Ko, and Hoon Cheol Park,” Direct measurement of slip flows in superhydrophobic microchannels with transverse grooves”, Phys. Fluids 20, 113601 (2008)
(20) Jung YC, Bhushan B. J “Biomimetic structures for fluid drag reduction in laminar and turbulent flows” Phys Condens Matter (2010)
(21) Pengyu Lv,Yahui Xue, Yipeng Shi,Hao Lin, Huiling Duan” Metastable States and Wetting Transition of Submerged Superhydrophobic Structures”, Physical Review Letters
· May 2014
(22)渡辺敬三, Yanuar, 水沼博, “ニュートン流体の固体境界における滑りについ
て,” 日本機械学会講演論文集, B編, Vol.63, No.611, (1997). pp.70-74.
(23)渡辺敬三, 小方聡, 廣瀬敦, 木村彰宏, “抵抗減少効果を生じる機能性壁面の
流動特性に関する研究, ”日本機械学会講演論文集, B 編, Vol.71, No.712, (2005), pp.15-20
(24) Choongyeop Lee and Chang-Jin “CJ” Kim,” Maximizing the Giant Liquid Slip on Superhydrophobic Microstructures by Nanostructuring Their Sidewalls”, Langmuir, 2009, 25 (21), pp 12812–12818
(25) Jingxian Zhang・ Zhaohui Yao・ Pengfei Hao,” Formation and evolution of air–
water interfaces between hydrophilic structures in a microchannel”, Microfluid Nanofluid (2017) 21:135
(26) Huaping Wu, Kai Zhu, Bingbing Wu, Jia Lou, Zheng Zhang, Guozhong Chai,”
Influence of structured sidewalls on the wetting states andsuperhydrophobic stability of surfaces with dual-scale roughness”, Applied Surface Science 382 (2016) 111–120 (27) Y.P.Cheng , C.J.Teo., B.C,Khoo, “Microchannel flows with superhydrophobic surface,” Physics of fluids 21 ,122004 (2009)