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Research Results 研究成果

极めて短い时间スケールに、マイクロ涡を作り込む技术の构筑に成功！

10,000分の1秒の流れ场を设计する、マイクロ流体工学の”新たな领域”を拓く
工学研究院
佐久间　臣耶　准教授
2024.08.08
研究成果Physics & Chemistry

ポイント

  • 涡は小さな细胞や流体の高速操作を支える重要な现象ですが、その発生制御は困难でした。
  • 0.1 ミリ秒(10,000分の1秒)という短い時間スケールで、渦の発生制御に成功しました。
  • 涡を使った流路の机能群を创出することで、マイクロ流体工学の“新たな领域”を拓くことが期待されます。

概要

　マイクロ涡の生成は、生物学や化学の分野において高速な细胞操作や効率的な溶液混合を可能とするため、マイクロスケール（※1）の重要な现象となっています。しかし、マイクロ涡が発生する时间は、1ミリ秒よりも短い时间であることから、制御することは困难とされてきました。
　本研究では、极めて短い时间で流れを制御することで、マイクロ涡の発生制御技术を确立しました。
　九州大学大学院工学府の斋藤真博士课程大学院生、东京大学大学院工学系研究科の新井史人教授、九州大学大学院工学研究院の山西阳子教授、九州大学大学院工学研究院の佐久间臣耶准教授の研究グループは、マイクロ流体チップ（※2）中に组み込んだオンチップメンブレンポンプを用いて、50から450程度のレイノルズ数（※3）に相当する高速流を0.1ミリ秒程度の时间で制御することで、涡の発生制御が可能なマイクロ流体システムを构筑しました。さらに、涡が配管抵抗（※4）の原因となることに着目し、0.1ミリ秒の流れ场を设计?制御することで、流路の顺方向?逆方向の流れやすさを调节することができる流体素子を実现しました。これにより、バルブを使用しない新しい流体制御技术の构筑に成功し、その応用として游泳细胞（※5）の単一细胞ピペッティングを示しました。本成果は、涡の発生制御に基づく、新たな流路机能群の创出に贡献し、マイクロ流体工学の领域?応用を拓くことが期待されます。
　本研究は、2024年8月6日午前4時（日本時間）に米国科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」にオンライン版で公開されました。

研究者からひとこと

　涡は身近な流体现象ですが、顕微镜の下でも発生しています。一见同じように见えますが、その时间スケールは全く异なります。左の写真は、水を流し始めて、わずか0.1ミリ秒后のマイクロ流路ですが、涡が既に発生しています。この小さく、速い、涡の制御が、细胞や微小流体の新しい操作?解析技术を拓いていきます。

用语解説

(※1) マイクロスケール
100万分の1メートル（マイクロ：100万分の1）。髪の毛の太さは60～100マイクロメートル程。

(※2) マイクロ流体チップ
微量の溶液や生体试料の混合、反応、分取、精製、検出などさまざまな化学、生物操作をミクロ化できる半导体製造技术を用いて作製したデバイス。

(※3) レイノルズ数
流体の惯性力と粘性力の比をとった无次元数。この値が高いほど、涡が発生しやすくなる。マイクロ流体チップ中では1よりも小さい値となることが多い。

(※4) 配管抵抗
流体が流れる管の内壁と流体との间に発生する、摩擦力や涡の発生に由来するエネルギー损失によって决定される管や流路の抵抗または流れやすさ。

(※5) 遊泳細胞
鞭（べん）毛や体を回転させることで、推进力を得て、液中を动き回る（泳ぎ回る）运动性を持つ细胞のこと。

论文情报

掲載誌：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
タイトル：Spatiotemporally controlled microvortices provide advanced microfluidic components.
著者名：Makoto Saito, Fumihito Arai, Yoko Yamanishi and Shinya Sakuma
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