(57)【要約】【課題】２種類の異なる微粒子を懸濁した懸濁液から、基板上の異なる位置に異なる微粒子を同時に配列させる手段を提供することにある。【解決手段】２種類の微粒子の磁化率Ｘ１およびＸ２の値の中間の値Ｘｍを持つ懸濁媒体にこれらの微粒子を懸濁した懸濁液を、磁場モジュレーター上に置かれた基板上に展開することにより、磁場モジュレーターにより生成された磁場分布に従い異なる微粒子が異なる場所に同時に配列されることを特徴とする、磁場による異種微粒子同時配列方法。【選択図】図２
2006212616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化率Ｘが異なる微粒子１（Ｘ１）および微粒子２（Ｘ２）（但し、Ｘ１＜Ｘ２）を、磁化率Ｘｍが、この２つの磁化率の中間に位置するような媒体（Ｘ１＜Ｘｍ＜Ｘ２）中に分散して得た分散体を、磁場モジュレーターにより磁束の強弱を生じせしめた基板上に展開することにより、該微粒子を該基板表面上の磁束の強弱に応じて、各々基板上の異なる位置に配列することを特徴とする磁場による異種微粒子同時配列方法。
【請求項２】
請求項１における微粒子が、金属、無機物、セラミックス、高分子、有機物、微生物、細胞、蛋白質、あるいはそれらの複合体であることを特徴とする磁場による異種微粒子同時配列方法。
【請求項３】
請求項１における微粒子が、微小な電子回路、光学回路、集積回路、光学素子、半導体素子であることを特徴とする磁場による異種微粒子同時配列方法。
【請求項４】
請求項２および３における微粒子に、あらかじめ請求項１に記載の磁化率に対する条件を満たすような磁気的性質を付与しておくことを特徴とする磁場による異種微粒子同時配列方法。
【請求項５】
請求項１における分散体が懸濁液であり、その媒体が、異なる磁化率を有する液体の混合により、あるいは異なる磁化率を有する液体と固体の混合により調製された溶液であることを特徴とする磁場による異種微粒子同時配列方法。
【請求項６】
請求項５における懸濁媒体が熱硬化性あるいは光硬化性液体からなり、請求項２および３に記載の微粒子を該異種微粒子同時配列法により配列させた後に、その配列を該熱硬化性あるいは光硬化性液体の硬化により固定することにより得られることを特徴とする異種微粒子配列体／樹脂複合材料。
【請求項７】
請求項５における懸濁媒体が高分子溶液からなり、請求項２および３に記載の微粒子を該異種微粒子同時配列法により配列させた後に、溶媒を蒸発させることにより、その配列を固定することにより得られることを特徴とする異種微粒子配列体／高分子複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、異なる磁化率を有する２種類の微粒子が、磁場モジュレーターにより所定の磁束密度分布を持つように設定された基板表面上に、微粒子の磁性に応じて基板表面の異なる位置に磁気配列されることを特徴とする、異種微粒子同時配列方法に関する。微粒子が集積回路のような機能をもった微小体の場合、これら多数の微小体を効率よく迅速に基板の所定の位置に配列させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、磁場を利用して、弱磁性物質（反磁性物質、常磁性物質）の配向や配列を制御する試みが多数なされている（非特許文献１参照）。媒体に懸濁された弱磁性物質が磁場勾配下に置かれると、媒体と物質との磁化率差に比例した力を受けることは良く知られた物理現象であり、物質分離（特許文献１参照、非特許文献２参照）や材料創製（特許文献２参照、非特許文献３参照）に利用されている。【０００３】  磁場モジュレーターにより生成された、磁場分布がミクロンオーダーで制御された場を用いることにより、微粒子に作用する力を空間的に制御できる。この現象を用いて、微粒子や細胞のマイクロパターニングができることが報告されている（非特許文献４参照）【０００４】  これらの技術においては、配列は微粒子の磁化率（Ｘｐ）と、媒体の磁化率（Ｘｍ）の差（ΔＸ＝Ｘｐ−Ｘｍ）、および磁場分布（Ｂ（ｘ））により決定される。ΔＸが負の場合には、微粒子はＢ（ｘ）のより小さいほうへ、ΔＸが正の場合には微粒子はＢ（ｘ）のより大きい方へと力を受け移動する。これにより微粒子が磁場分布により規定されたパターンに配列される。これまでの技術では１種類の微粒子をΔＸの正負によて特定位置に配列することに目的が置かれていた。【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５９０２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２３４９０１号公報
【非特許文献１】木村恒久、「Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｊｏｕｒｎａｌ」、高分子学会、２００３年、第３５巻、第１１号、ｐ．８２３−８４３。
【非特許文献２】木村恒久、他２名、「Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、日本化学会、２０００年、ｐ．１２９４−１２９５。
【非特許文献３】山登正文、他２名、「Ｌａｎｇｍｕｉｒ」、アメリカ化学会、２００２年、第１８巻、ｐ．９６０９−９６１０、米国。
【非特許文献４】木村恒久、他４名、「Ｌａｎｇｍｕｉｒ」、アメリカ化学会、２００４年、第２０巻、ｐ．５６６９−５６７２、米国。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上記の方法では、通常２種類の異なる微粒子を別々に異なる場所に配列することは困難であった。本発明は従来技術では困難であった異種微粒子を同時に異なる場所に配列させる方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明者らは、上記の同種微粒子の磁気配列の研究を行う過程において、懸濁媒体の磁化率を適切に設定することにより、２種類の異なる微粒子を同時に異なる場所にトラッピングできることを発見した。即ち、本発明は以下の事柄を特徴とする。各々Ｘ１およびＸ２なる磁化率を有する２種類の微粒子１および微粒子２（但し、Ｘ１＜Ｘ２）を、それらの中間の磁化率値、Ｘｍを有する懸濁媒体（Ｘ１＜Ｘｍ＜Ｘ２）中に分散させる。この時、微粒子と懸濁媒体との磁化率差は、各々ΔＸ１＝Ｘ１−Ｘｍ＜０およびΔＸ２＝Ｘ２−Ｘｍ＞０である。磁化率差の正負は、微粒子の媒体に対する相対的な磁性を示す。即ち、ΔＸ１＜０である微粒子１は反磁性的、ΔＸ２＞０である微粒子２は常磁性的に振舞う（図１）。反磁性微粒子は磁場の弱い所に、常磁性微粒子は磁場の強い所に引き寄せられるので、磁場モジュレーターにより基板表面上に磁束分布を作っておけば、磁場の強弱に応じて、基板上の異なった場所に、各々の微粒子が配列される（図２）。【０００８】  配列された微粒子の濃度分布は次式で与えられる：
式１  Ｃ０ＥＸＰ（−ΔＸＶ（Ｂ２（ｘ）−Ｂ２（０））／（２μ０ｋＴ））
ここでΔＸは懸濁媒体と微粒子の磁化率差（Ｘｐ−Ｘｍ）、Ｃ０はｘ＝０における微粒子濃度、Ｖは微粒子の体積、Ｂ（ｘ）はｘにおける磁束密度、Ｂ（０）はｘ＝０における磁束密度、μ０は真空の透磁率、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。この濃度分布が有意な大きさを持つためには、指数関数の引数が１以上、好ましくは１０以上であることが望ましい。Ｖ【０００９】  対象となる微粒子および懸濁媒体は、上記の磁化率の条件、Ｘ１＜Ｘｍ＜Ｘ２、を満たさねばならない。材質の異なる２種類の微粒子の場合には、磁化率が異なっている場合が多い。また同種の材質、例えば高分子であっても、種類が異なれば磁化率が異なる。たとえば、ポリエチレンとポリスチレンでは、どちらも反磁性であるが、後者の方がより反磁性的性質が強い（磁化率が小さい）。金属の場合では、たとえば銀は反磁性（Ｘ＜０）であるがビスマスは常磁性（Ｘ＞０）である。微粒子の材質によっては、懸濁媒体に配合された常磁性イオンが、微粒子表面に吸着することにより、本来反磁性の微粒子が、常磁性的振る舞いを示すこともありうる。微粒子サイズが小さくなると、その効果が顕著となる。【００１０】  配列させるべき微粒子は、金属、無機物、セラミックス、高分子、有機物、微生物、細胞、蛋白質、あるいはそれらの複合体であり、これらは弱磁性体である。その形態は、結晶状、非晶状、あるいはそれらの複合状態であってかまわない。形状は球状、繊維状等，任意の形でかまわない。本技術が適用可能な微粒子は、式１によればΔＸ、Ｂ、温度に依存するが、おおよそ１００ｎｍ以上、好ましくは１０μｍ以上のサイズを有することが必要である。【００１１】  配列させるべき微粒子は、微小な電子回路、光学回路、集積回路、光学素子、半導体素子であってもかまわない。本技術が適用可能なサイズは、前項と同様、おおよそ１００ｎｍ以上、好ましくは１０μｍ以上である。【００１２】  配列させたい微粒子に所定の磁化率を付与するために、コーティング、溶解、混合、化学結合、機械的な組み込み等により、予め微粒子の磁化率とは異なる磁性を有する物質を結合させておくことができる。それによりＸ１とＸ２の差を大きくする事が可能となり、配列の分解能が高まる。また、懸濁媒体の選択肢も広がる。大きな反磁性磁化率を有する物質としてはビスマス（−１．３４ｘ１０−６ｃｇｓ・ｅｍｕ）、リン、アンチモン等があげられる。大きな常磁性磁化率を有する物質としては、単体ではジスプロシウム（６２８ｘ１０−６ｃｇｓ・ｅｍｕ）、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム等が、化合物ではこれら単体の酸化物、塩化物、キレート化合物、あるいは塩化鉄、硫酸鉄等が挙げられる。【００１３】  微粒子１が反磁性（Ｘ１＜０）、微粒子２が常磁性（Ｘ２＞０）の場合ΔＸの値が大きくなるので同時配列に有利であるが、両方共に反磁性あるいは両方共に常磁性であっても、懸濁媒体の磁化率を中間の値に設定すれば同時配列が原理的に可能である。【００１４】  懸濁媒体の磁化率Ｘｍは、Ｘ１＜Ｘｍ＜Ｘ２を満たさねばならない。有機液体および有機固体は反磁性であり、その磁化率は、おおよそ−０．２ｘ１０−６〜−０．７ｘ１０−６ｃｇｓ・ｅｍｕである。また反磁性無機固体も同程度の磁化率である。従って、２つの微粒子がどちらも反磁性の場合には、懸濁媒体の選択が限られる。しかし、懸濁媒体の磁化率は、前出の常磁性の無機塩、あるいはキレート化合物を添加することにより調整することができるので、それにより広範囲でＸｍの値を振ることができる。微粒子が細胞やバクテリアである場合には、添加物の量を調整して、毒性が顕著にならない条件下で懸濁媒体を調製する必要がある。【００１５】  磁束密度分布を作り出すために必要な磁場モジュレーターは、強磁性体と、弱磁性体とをパターン化した固体ブロック、あるいはシートとして作製される（図３）。この磁場モジュレーターに外部磁場を印加すると、強磁性体部分に磁束が選択的に吸引されるために、モジュレーター表面近傍に磁束分布の乱れが生じる。この乱れの表面からの到達距離は、モジュレーターバターンの代表的な周期程度である。強磁性体と、弱磁性体のどちら側が磁束が疎、あるいは密になるかは、印加する外部磁場と、モジュレーターとの相対的な角度により決まる。式１より明らかなように、配列の能率は、Ｂ２（ｘ）−Ｂ２（０）により決まる。この差を大きくするためには、モジュレーターに用いる強磁性体は飽和磁化が大きいものほど良い。【００１６】  配列させた構造を何らかの方法で固定することは応用上重要である。そのために懸濁媒体を何らかの方法で固化させることが必要である。【００１７】  懸濁媒体に熱硬化性樹脂、あるいは光硬化性樹脂を用い、配列が完了した後に、加熱あるいは光照射により媒体を固化することにより配列を固定することができる。また、懸濁媒体に高分子溶液を用い、配列が完了した後に、溶媒を蒸発除去することによっても目的を達成することができる。配列が式１に示す平衡分布に達する時間は、懸濁媒体の粘性に大きく依存する。粘性が高いと、配列に至る時間が長くなり実用的でない。従って、低粘性状態で配列を達成した後に固化させる、上記の方法が好ましい。高分子溶融体を懸濁媒体とすることも可能であるが、粘性が高いために配列達成に時間がかかり好ましくない。
【発明の効果】
【００１８】  本発明により、従来は同種微粒子の配列にしか適用できなかった方法が、懸濁媒体の磁化率を調整することにより、あるいは微粒子の磁化率差を大きくすることにより、異なる２種類の微粒子を同時に配列させる場合にも適用できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  図４に実施形態（その１）を示す。厚みｄのアルミニウム箔と厚みｄの鉄箔を交互に積層した構造からなる磁気モジュレーター（Ｍｄ）を電磁石（ＥＭ）中に設置する。Ｍｄ上に厚みがｄより十分小さいガラス基板を乗せる。磁化率の異なる２種類の微粒子（直径＜ｄ）からなる懸濁液を、懸濁媒体の磁化率ＸｍがＸ１＜Ｘｍ＜Ｘ２を満たすように添加剤を、および分散性を保つために界面活性剤を加え調製する。調製された懸濁液を電磁石中に置かれたガラス基板上に展開する。その後、電磁石を励磁して微粒子の配列を行う。磁場を印加したままで、懸濁液が蒸発するまで放置する。微粒子１は鉄上に，微粒子２はアルミ上にトラッピングされる。【００２０】  図５に実施形態を示す（その２）。一辺が厚みｄのアルミニウム箔と厚みｄの鉄箔を交互に積層した構造からなる磁気モジュレーター（Ｍｄ）をＮ極とＳ極を対向させた、２枚の平板状永久磁石（ＰＭ）の間に設置する。厚みがｄより十分小さいプラスチック基板を準備する。あらかじめコーティング処理を施した微小素子１（反磁性）および微小素子２（常磁性）を、磁化率を調整した光硬化性懸濁媒体中に分散させる。こうして作製した素子懸濁体液をプラスチック基板上に展開する。この基板を２枚の磁石中に置かれた磁気モジュレーター上に乗せる。配列が達成された後、側方より光を照射し、媒体を硬化させる。微小素子１はアルミ上に，微小素子２は鉄上にトラッピングされる。【００２１】  図６に実施形態を示す（その３）。厚みｄのアルミニウム箔と厚みｄの鉄箔を交互に積層した構造からなる磁気モジュレーター（Ｍｄ）を縦方向の磁場を発生する超電導磁石（ＳＣＭ）中に設置する。Ｍｄ上に厚みがｄより十分小さいガラス基板を乗せる。磁化率の異なる２種類の微粒子（直径＜ｄ）からなる懸濁液を、懸濁媒体の磁化率ＸｍがＸ１＜Ｘｍ＜Ｘ２を満たすように添加剤を、および分散性を保つために界面活性剤を加え調製する。調製された懸濁液を超電導磁石中に置かれたガラス基板上に展開する。磁場を印加したままで、懸濁液が蒸発するまで放置する。微粒子１はアルミ上に，微粒子２は鉄上にトラッピングされる。
【実施例１】
【００２２】  直径２６０ｎｍのポリスチレン球（ガドリニウム化合物入り）の水系懸濁液と直径１μｍのシリカ球の水系懸濁液を混合し、少量の界面活性剤を加え安定に分散させた。３００μｍのアルミニウム箔と鉄箔を交互に積層した構造からなる磁気モジュレーター上に置いた８５μｍのガラス基板上に，該混合懸濁液を滴下した。全体を超電導磁石（８Ｔ、縦磁場）中に設置した。水を完全に蒸発させた後、磁石から取り出し、電子顕微鏡観察を行った。ポリスチレン球は鉄上、シリカはアルミ上に堆積した。
［比較例１］【００２３】  直径２６０ｎｍのポリスチレン球（市販）の水系懸濁液と直径１μｍのシリカ球の水系懸濁液を混合し、少量の界面活性剤を加え安定に分散させた。３００μｍのアルミニウム箔と鉄箔を、交互に積層した構造からなる磁場モジュレーター上に置いた、８５μｍのガラス基板上に，該混合懸濁液を滴下した。全体を超電導磁石（８Ｔ、縦磁場）中に設置した。水を完全に蒸発させた後，電子顕微鏡観察を行ったところ、どちらの微粒子もアルミ上に堆積してしまい、分離したパターンが得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】微粒子１、微粒子２、および懸濁媒体の磁化率がＸ１＜Ｘｍ＜Ｘ２となるように選ぶことにより、微粒子１は反磁性的に、微粒子２は常磁性的に振舞うことを示した図。
【図２】反磁性的微粒子（●）が磁場の弱い所に、常磁性的微粒子（△）が磁場の強い所にトラッピングされる概念図。
【図３】図２で示された磁束密度分布を生じさせるために用いた鉄（Ｆｅ）とアルミニウム（Ａｌ）で作製された磁場モジュレーターの概念図。
【図４】実施形態その１。
【図５】実施形態その２。
【図６】実施形態その３。
【符号の説明】
【００２５】１．Ｆｅ：鉄、Ａｌ：アルミニウム。
２．Ｍｄ：磁気モジュレーター、ＥＭ：電磁石。
３．ＰＭ：永久磁石、Ｎ、Ｓ：磁極。
４．ＳＣＭ：超電導磁石。
【図１】
2006212616.tif 000003
【図２】
2006212616.tif 000004
【図３】
2006212616.tif 000005
【図４】
2006212616.tif 000006
【図５】
2006212616.tif 000007
【図６】
2006212616.tif 000008