【研究領域課題番号】20K21113 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

定在波 / 音響波 / 浮揚 / 非接触界面 / バイオリアクター / 超音波 / 無容器反応 / 音響放射圧 / 全方位非接触界面

【研究成果の概要】

超音波による音響浮揚技術を基盤とし、化学物質および生理活性物質を取り扱うリアクターとしての実装を試みた。超音波の定在波の節で捕捉された液滴内で酵素活性やプラスミド核酸の構造が維持され、酵素反応が進行することを確認し、生命活動ができる可能性を示すことができた。さらに捕捉させた大腸菌は増殖能が維持され、細胞外マトリクスが残存した動物細胞は細胞塊の生成が高速化されることが確認された。

【研究の社会的意義】

この研究成果は、この浮揚システムが化学・生物系で初めての無容器反応システムとして活用できることを示している。この技術はSDGsに適合するとともに、宇宙空間などの微小重力環境での液体の振る舞いを地上で疑似的に再現できている。本研究で取り組む無容器反応技術は、化学・生物学研究環境における革新的な次世代リアクターとしての活用が期待出来ることがわかった。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2022-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】19H02092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アクチュエータ / 超音波 / 圧電デバイス / 音響放射圧 / Acoustfluidics / 圧電素子 / 非線形音響 / 音響放射力 / 音響流 / Acoust fluidics / 超音波放射力 / 液中 / 水中ロボット / 液中アクチュエータ / 放射圧 / Acoustofluidics

【研究成果の概要】

弾性表面波基板を用いた液中アクチュエータの応用として，駆動IDTに加えて反射器IDTを設置することで，一方向に効率よく伝搬する電極構造とした駆動周波数約10 MHzの素子を用いて，音響流駆動によるアクチュエータを検討した。2枚の弾性表面波素子を対向して設置して，素子の配置と素子間隔を変えて実験したところ，素子を端部に設置し，素子間隔を狭くすることで，より大きな推力の得られることを明らかにした。しかし問題点として，駆動IDTから放射された表面波が，反射器に到達する前に，水中に放射されてしまい，一方向に表面波が効率よく伝搬させることが難しいことがわかった。
この実験結果から，アクチュエータとしての動作は確認されたが，より効率よく動作させるためには，電極構造を再検討する必要があることがわかった。解決策としては，駆動電極内部に反射用浮き電極を設置するなど，駆動電極と反射器が一体構造となった一方向性電極の採用が必要であることがわかった。
円板形状の素子の，厚み振動を利用したバルク波デバイスによるアクチュエタについては，デバイス表面に発生する音響放射圧の利用に加え，新たに音響流を推力に変換する構造の検討を行った。約2 MHzで厚み共振する圧電素子を用いた。
音響流を推進力として利用するため，圧電振動子の前方に流路が形成されるように樹脂による囲いを設置した。囲いには，振動子放射面前方に噴出口を設置し，振動子の脇には吸入口を作製した。噴出口の直径を2 mmから9 mmの間で5種類作製し，それぞれ推力の測定を行った。推力としては，1.1 mNから1.5 mNが得られた。直径3 mm以上ではほぼ同じ推力となり，噴出口の直径が大きい方がやや大きな推力となる傾向となった。囲いの無い音響放射力による場合は2 mNの推力が得られており，音響流による推力はやや小さな値であるが，推力を得ることができ。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15654046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子固体 / 量子液体 / 超流動 / 超音波 / 音響放射圧 / 結晶成長 / 結晶核生成 / 負結晶 / 非線形音響学

【研究成果の概要】

我々は超音波を用いるとヘリウム4結晶を自由に成長、融解、核生成できることを発見した。これは音響放射圧によるものと考えている。超音波パルスによって生成する準安定状態の超流動ヘリウム4中の結晶核生成を系統的に調べた。2msecの超音波の存在下で到達できた準安定液体の臨界過加圧量の温度依存性は、低温おいては超音波強度が増すにつれて過加圧量が減少するが、高温では超音波の影響が見られなくなった。この温度依存性は我々がこれまでに調べたバルクの結晶表面への音響放射圧の効果と矛盾しないものである。また熱の影響を調べるために熱パルスによる核生成実験もあわせて行った。
また音響放射圧を利用して、結晶中に制御して負結晶を生成できることを見出した。その負結晶の移動様式と形態を系統的に調べた。ラフニング転移より高温のbcc固体では負結晶の形は球形であった。その運動は重力で真上に上昇していくものであり、その形態にも運動にも全く異方性は無かった。hcp固体ではラフニング転移に以下において形態が一変し、上面にはc-ファセットが現われ下面は滑らかな曲面になった。負結晶の移動に伴って上面が融解し下面が結晶化するわけであるが、上面では移動速度の遅いファセット面が広がり下面では移動速度の速いラフ面が広がったと考えれば説明がつく。言わば結晶の成長形と融解系を半分ずつくっ付けたようなものであり、負結晶の運動様式と深く結びついた形態である。また負結晶は真上には上昇せず、このファセットに平行な斜め上方に移動して行った。ファセット面は非常に易動度が小さいので、負結晶の形態と運動は異方的なものとなった。また0.9K以下で上昇速度が減少した。これはa-ファセットが側面に出現したためであると考えている。温度を下げるにしたがって負結晶の形態と運動が逐次的に異方性を増していく様子が観測できた。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15340114 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体ヘリウム4 / 超音波 / 超流動 / 結晶成長 / ファセット / ステップ / 音響放射圧 / 量子固体 / 量子液体 / 異方的界面 / 非線形音響効果 / 高速界面運動

【研究成果の概要】

これまでに超音波を用いてヘリウム4結晶の成長、融解、核生成を駆動できることを報告してきた。これは2次の音響効果である音響放射圧によって1次相転移が駆動できることを示した最初の例である。最近我々はヘリウム4結晶の微斜面に固体側から超音波を照射すると上部にファセット面が現れて成長することを見出した。ファセットの成長速度は400mK以下で増加を止め一定値に飽和するが、その値は駆動力に比例した。この様な振る舞いは過去に測定されたステップの易動度をもとにした螺旋成長モデルでは全く説明できないものである。螺旋成長モデルでは、成長速度は低温で増大し続けまた駆動力の二乗に比例しなければなら無い。なによりもその絶対値が3桁以上小さくなってしまい、全く別の成長機構を考えることが必要となった。
超音波の一次の圧力振動は400mK以下でステップの速度を音速程度まで加速することが出来る。通常の結晶成長の常識では対面するステップが衝突すると対消滅し、ステップ密度は際限なくは増加しない。しかしこの様な高速ステップの衝突過程では、液体の慣性によってお互いに乗り上げて新たな層を形成しステップの増殖が進むという理論が最近パーシンとツィンバレンコによって発表された。この理論を基に成長モデル立てたところ実験結果を定量的に再現することが分かった。高速のステップ運動と超流体の運動が結合した量子固体ならでわの全く新しい結晶成長機構を発見した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】16,400千円 (直接経費: 16,400千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】08875051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超音波 / 音響放射圧 / 超音波浮揚

【研究成果の概要】

今年度は振動面近傍における超音波浮揚の基礎と応用にまたがり,それぞれ並行して研究を行った.以下,基礎および応用についてそれぞれ記す.
1.超音波浮揚に関する基礎研究(浮揚力発生機構の解明)
本研究では,超音波振動面近傍における物体浮揚現象の浮揚力発生機構に関して,音の放射圧に基づいた浮揚理論を提案している.この浮揚理論に基づく解析結果は実験結果と定性的には一致しているものの,定量的に大きな相違があった.そこで今年度は様々な条件下における浮揚実験を行い,この実験結果をもとに浮揚力発生機構を再検討し,音の放射圧に基づく浮揚理論の修正を行った.
一方,潤滑・軸受といった分野では,このような物体浮揚現象は主として媒質の粘性力に起因するスクイーズ膜圧として説明されている.そこでスクイーズ膜圧理論の見地から超音波浮揚現象を考察した結果,この現象は音の放射圧現象とスクイーズ膜圧現象にまたがるものであるとの見解を得た.そこで現在,放射圧理論とスクイーズ膜圧理論の統一を試みている.
2.超音波浮揚の応用(自走式浮上ロボットの開発)
本研究では,超音波浮揚現象の工業的応用の一つとして,自走式浮上ロボットを考察した.これは音の放射圧を浮揚力および推力とを利用するものである。今年度はまずBLT振動子および円板からなる自己浮揚型振動体の設計と試作を行い,振動体の振動特性と浮揚特性について調べた.今後は浮揚形振動体の改善および移動機構の開発を行い,移動機能としての評価を行う予定である.

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1996

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)