(57)【要約】【課題】本発明は、配列欠陥が少なく、規則性の高いコロイド粒子配列構造を簡便に作製するための方法および装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の方法は、（ａ）エッジ部８を備えたカバー部材３を準備するステップと、（ｂ）カバー部材３を基板２の上に間隔を空けて、エッジ部８が前記基板２に対して鋭角αをなして対向するように、エッジ部８と基板２との間に隙間を形成するように、カバー部材３を支持するステップと、（ｃ）カバー部材３と基板２との間の所定の空間部分７にコロイド溶液を貯留するステップと、（ｄ）カバー部材３と基板２とを、所定の方向に相対スライド運動させることにより、空間部分７に貯留したコロイド溶液を前記エッジ部８と前記基板２との間の隙間９から外側に漏出させ、前記基板２上にコロイド粒子を配列するステップと、から成ることを特徴とする。【選択図】図１
2008049296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）エッジ部を備えたカバー部材を準備するステップと、
（ｂ）前記カバー部材を基板の上に間隔を空けて配置し、前記エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして対向するように、かつ、前記エッジ部と前記基板との間に隙間を形成するように、前記カバー部材を支持するステップと、
（ｃ）前記カバー部材と前記基板との間の、前記エッジ部が前記基板と鋭角をなす側の空間部分に、実質的に同じ粒径のコロイド粒子が分散したコロイド溶液を貯留するステップと、
（ｄ）前記カバー部材を、前記基板に対して、前記空間部分が前記エッジ部よりも先行する方向にスライドさせるか、または、前記基板を、前記カバー部材に対して、前記エッジ部に関して前記空間部分と反対側方向にスライドさせることにより、前記空間部分に貯留したコロイド溶液を前記エッジ部と前記基板との間の隙間から外側に漏出させ、前記基板上にコロイド粒子を配列するステップと、
から成ることを特徴とするコロイド粒子配列化方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｄ）において、前記スライド運動を、一定の第一の速度で行った後、前記第一の速度よりも速い一定の第二の速度で行うステップを複数回反復することを特徴とする、請求項１に記載のコロイド粒子配列化方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｄ）において、前記スライド運動を、前記エッジ部と前記基板との間の隙間から外側に漏出するコロイド溶液に振動を付与しながら行うことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のコロイド粒子配列化方法。
【請求項４】
前記空間部分に、前記コロイド粒子よりも小さい粒径のコロイド粒子をさらに分散させたコロイド溶液を貯留することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコロイド粒子配列化方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｄ）において、前記スライド運動を、前記空間部分に前記コロイド溶液を一定の速度で継続的に供給しながら行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコロイド粒子配列化方法。
【請求項６】
基板と、
前記基板の上に配置される、エッジ部を備えたカバー部材と、
前記エッジ部が前記基板に対向するように、前記基板および前記カバー部材を、互いに間隔を空けて、互いに対してスライド運動可能に支持する支持部と、を備え、
前記エッジ部が、前記基板に対して鋭角をなして傾斜しつつ、前記基板と前記カバー部材の間の空間を遮ることにより、前記エッジ部と前記基板とが鋭角をなす側に、コロイド溶液貯留空間が形成されており、
さらに、前記カバー部材を、前記基板に対して、前記コロイド溶液貯留空間が前記エッジ部よりも先行する方向にスライドさせるか、または、前記基板を、前記カバー部材に対して、前記エッジ部に関して前記コロイド溶液貯留空間と反対側方向にスライドさせる駆動手段を備え、
前記エッジ部と前記基板との間には隙間が形成されていて、当該隙間がコロイド溶液の出口を形成し、
前記基板および前記カバー部材の相対スライド運動により、前記コロイド溶液貯留空間に貯留されたコロイド溶液が前記出口から外側に漏出するようになっていることを特徴とするコロイド粒子配列化装置。
【請求項７】
前記基板と前記カバー部材の相対スライド運動の速度を制御可能に、前記駆動手段の動作を制御する制御手段を備えていることを特徴とする、請求項６に記載のコロイド粒子配列化装置。
【請求項８】
前記出口から外側に漏出するコロイド溶液に振動を付与するための振動付与手段を備えていることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載のコロイド粒子配列化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、典型的には各種光学材料、各種電子材料等の分野に関するものであるが、かかる分野に限定されず、粒子が規則的に配列して成る材料を要するあらゆる産業分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや通信装置等に代表される精密機械機器や、センサーや分析手段等の検出測定手段のさらなる高度精密化の要請により、コロイド粒子、特に数ナノメートルから数十マイクロメートルのサイズの微粒子の配列や集積態様を制御して新規な材料を作製することに、多くの研究者の力が注がれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、かかる粒子は極めて小さく軽量で、静電気力や分子間力、摩擦力等の、重力以外の力の影響が大きいことから、これを規則的に広面積で配列化することは困難であり、従来法のいずれによっても、大面積かつ配列欠陥の少ない粒子配列構造を作製することは非常に困難であり、例えば、特に従来の塗布法や沈降法を用いる粒子配列方法では、基板の濡れ性や溶媒の蒸発速度等を高い精度で制御しなければ、容易にしかも再現性よく、粒子を配列することは困難であった。また、特に粒子を周期的に配列させた縞状構造を作製するためには、リソグラフィーにより作製した鋳型を用いる方法が採られているが、この方法は操作が煩雑かつ困難で、効率的でない問題がある。
【０００４】
ところで、かかる問題を解決することを目的として、Orlin D. Velev等が、基板上で液体のメニスカスを一定の速度でスライドさせることにより、当該基板上にナノ〜ミクロの微粒子を薄層に配列化させる方法を開発している（非特許文献１）。
【非特許文献１】Brian G. Prevo and Orlin D. Velev., "Controlled, Rapid Deposition of Structured Coatings from Micro- and Nanoparticle Suspensions", Langmuir., 20, p 2099-2107 (2004)
【０００５】
詳しくは、このVelev等による方法は、基板の上にカバー部材を、これに対して鋭角をなすように傾斜配置し、基板とカバー部材の間の空間にコロイド溶液を充填して、充填したコロイド溶液とカバー部材とを結着状態で、当該カバー部材を、当該コロイド溶液から遠ざかる方向にスライドさせることにより、当該充填されたコロイド溶液のメニスカスをスライドさせるものである。この方法は、従来の塗布法と比べて簡便であり、使用する材料が少なくてすむ利点もあるが、所定の微粒子配列を得るために、コロイド溶液の粒子の濃度あるいはスライド速度を厳密に調整しなければならない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者等はここに、コロイド粒子の配列の規則性が高く、コロイド粒子の配列の欠陥、即ち、コロイド粒子の配列の規則性が乱れた箇所が少ないコロイド粒子配列構造を、簡便に作製するための方法および装置を開発した。発明者等は、また、コロイド粒子が縞状に配列化した構造を、簡便に作製可能な方法を開発した。
【０００７】
次に、本発明のコロイド粒子配列化方法は、
（ａ）エッジ部を備えたカバー部材を準備するステップと、
（ｂ）前記カバー部材を基板の上に間隔を空けて配置し、前記エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして対向するように、かつ、前記エッジ部と前記基板との間に隙間を形成するように、前記カバー部材を支持するステップと、
（ｃ）前記カバー部材と前記基板との間の、前記エッジ部が前記基板と鋭角をなす側の空間部分に、実質的に同じ粒径のコロイド粒子が分散したコロイド溶液を貯留するステップと、
（ｄ）前記カバー部材を、前記基板に対して、前記空間部分が前記エッジ部よりも先行する方向にスライドさせるか、または、前記基板を、前記カバー部材に対して、前記エッジ部に関して前記空間部分と反対側方向にスライドさせることにより、前記空間部分に貯留したコロイド溶液を前記エッジ部と前記基板との間の隙間から外側に漏出させ、前記基板上にコロイド粒子を配列するステップと、
から成ることを特徴とする（以下、第一のコロイド粒子配列化方法と呼ぶ）。
【０００８】
本発明のコロイド粒子配列化方法は、また、前記ステップ（ｄ）において、前記スライド運動を、一定の第一の速度で行った後、前記第一の速度よりも速い一定の第二の速度で行うステップを複数回反復することを特徴とする（以下、第二のコロイド粒子配列化方法と呼ぶ）。この第二のコロイド粒子配列化方法によれば、縞状にコロイド粒子を配列化できる。
本発明のコロイド粒子配列化方法は、また、前記ステップ（ｄ）において前記スライド運動を、前記エッジ部と前記基板との間の隙間から外側に漏出するコロイド溶液に振動を付与しながら行うことを特徴とする（以下、第三のコロイド粒子配列化方法と呼ぶ）。
【０００９】
前記ステップ（ａ）において準備するカバー部材に関し、エッジ部は、カバー部材の縁を含む部分ないし、カバー部材に設けられた、縁を有する部材であり、好ましくは、ステップ（ｂ）により基板に対向する部分が直線状に形成されたものである。そして、カバー部材は、ステップ（ｂ）により、前記エッジ部が基板に対して鋭角をなして対向するように、基板の上に配置および支持された際に、当該基板を覆って、当該基板との間に空間を形成し得るあらゆる形状のものであり、かかるカバー部材としては、例えば、四角形状の平板であってその一端ないし一端縁を前記エッジ部とするものや、角部を有する立体物であって、当該角部を前記エッジ部とするものや、一定幅の尖端を有する切片をエッジ部として備えた平板型部材等が挙げられる。
【００１０】
前記ステップ（ｂ）に関し、使用する基板は、その上面にコロイド粒子を配列化されるものであり、コロイド粒子を配列化する側の面が滑らかで凹凸のないことが好ましい。また、前記ステップ（ｂ）において、「前記エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして対向する」とは、詳しくは、当該エッジ部が、ステップ（ｄ）において、前記エッジ部と前記基板の間の隙間から外側に漏出した液層の上面と、90°を越す角度で接し得る態様にあること意味し、例えば、カバー部材として四角形状の平板を用いる場合に、当該平板の一端ないし一端縁がエッジ部に相当し、当該平板全体を基板に対して鋭角をなすように傾斜配置することで、必然的に当該エッジ部が基板に対して鋭角をなして対向状態となる場合や、例えばカバー部材として鋭角の角部を有する立体形状物を用いる場合に、当該角部がエッジ部に相当して、当該角部を形成する一方側部分を前記基板に対して略平行に対向させることで、当該角部を形成する他方側部分が前記基板に対して鋭角をなして傾斜する場合や、さらに例えば、一定幅の、鋭角に尖った尖端を有する切片をエッジ部として、当該尖端を外側に向けて平板に設けたものを、カバー部材として用いる場合に、当該尖端を形成する両側部分が当該基板に対して鋭角をなすように、当該尖端を、基板に対して対向配置した状態等が含まれる。かかるエッジ部の基板に対する鋭角の傾斜角度は、概して、小さいほどコロイド粒子を容易に配列化でき、例えば、5〜80°であり、より好ましくは、5〜50°である。
【００１１】
また、前記ステップ（ｂ）において、前記カバー部材は、好ましくは、前記エッジ部と前記基板との間に、配列化を予定されるコロイド粒子の直径よりも厚く、かつ、当該コロイド粒子を含むコロイド溶液を一定量ずつ漏出させ得る程度の隙間を形成するように、前記基板の上に間隔を空けて配置され、別途の支持手段により支持される。しかし、かかる隙間は、例えばエッジ部が非常に薄くて軽いものである場合には、基板上にエッジ部を単に当接配置することにより、実質的に形成できる。
【００１２】
前記ステップ（ｃ）に関し、当該空間部分へのコロイド溶液の貯留は、当該空間部分にコロイド溶液を１回の充填操作により供給することによりなしても、当該空間部分にコロイド溶液を継続的に供給することによりなしてもよい。しかし、当該空間部分にコロイド溶液を、一定の流速で継続的に供給しながら、ステップ（ｄ）を行った場合には、１回の充填操作により供給した場合と比較して、コロイド粒子の規則的な配列化をより容易に行えることが、発明者等により確認されている。  
【００１３】
前記ステップ（ｄ）に関し、前記基板と前記カバー部材の相対スライド運動は、前記基板を固定した状態で前記カバー部材をスライド移動しても、前記カバー部材を固定した状態で前記基板をスライド移動してもいずれでもよく、かかるスライド運動を駆動する機械的手段により行っても、手動により行ってもよい。かかる相対スライド運動により、ステップ（ｃ）により前記空間部分に貯留されたコロイド溶液が、前記エッジ部と前記基板の間の隙間から外側に漏れ出して液層を形成し、当該液層内でコロイド粒子が規則的に配列化される（図１０Ａ）。ここで、かかる相対スライド運動の速度と前記液層の厚さは負の相関関係を有し、下記に詳述するように、前記液層の厚さが当該液層内におけるコロイド粒子の配列態様に影響するため、かかる相対スライド運動の速度を変更することで、コロイド粒子の配列の規則性を変更できる。
【００１４】
即ち、詳しくは、本発明の前記第一のコロイド粒子配列化方法は、主として、粒子がその粒子径よりも厚い液層中で、当該液層の流動作用により移動および配列化する現象を利用するものである。つまり、本発明のコロイド粒子配列化方法によれば、前記ステップ（ｄ）において、前記基板と前記カバー部材を相対スライド運動させると、当該空間部分に貯留したコロイド溶液が、基板ないしカバー部材のスライド速度に応じた一定の厚さの薄い液層となって外側へ延出するが、かかる液層においては、基板ないしカバー部材の移動により内部に液体の流れが形成される一方で、当該延出形成された液層が、エッジ部から離れるにつれて乾燥が進行して薄くなり、所定の厚さの箇所を起点（以下、配列起点と呼ぶ）として、そこからエッジ部の方向へとコロイド粒子配列が成長し始める。即ち、当該スライド運動の速度を一定に維持した場合には、当該液層内の流れを一定に維持できると共に、エッジ部と基板の間の隙間から外側に延出した液層の厚みおよび配列起点をほぼ一定にすることができ、一定のコロイド粒子の配列態様を得ることができる。一方、かかる相対スライド運動速度を変化させた場合には、液層内部の液流および当該液層の厚みを変化させることができ、種々のコロイド粒子配列態様を得ることができる。なお、1〜10μmのサイズの実質的に同じ粒径のコロイド粒子を用いた場合であって、10〜50μm/sの一定速度で相対スライド運動を行った場合は、エッジ部の下端から200〜400μm離れた箇所に配列起点が形成されることが、発明者等により確認されている。
【００１５】
また、本発明の第二のコロイド粒子配列化方法は、詳しくは、前記液層内での液流に基づく粒子の移動・配列化現象に加えて、液層の厚み差に基づき液層内の粒子に働く横液毛管力を利用するものである。ここで、「横液毛管力」とは、内部に粒子が分散している液層において、当該層の厚みが、粒子直径より薄くなった場合、当該箇所に存在する粒子が互いに引き寄せられる現象において、かかる粒子間に働く力を意味する。本発明の第二のコロイド粒子配列化方法では、第一の速度と第二の速度の異なる速度でスライド運動を行うため、各操作によりエッジ部と基板の間の隙間から延出形成される液層の厚さが異なる。即ち、前記スライド運動の速度が速ければ速い程、当該液層の厚さは薄くなる。さらに、一般に、液層の厚さが薄い場所と厚い箇所が近接していると、液の表面張力のため、時間の経過と共に、液層の薄い部分はさらに薄化する。よって、前記相対スライド運動を一定の速度で行った後、それよりも速い一定の速度で行うステップとを所定の時間間隔で反復することで、エッジ部と基板の間の隙間から延出形成されるコロイド液層において、厚い層と薄い層が反復形成される結果、液層内のコロイド粒子に横液毛管力がかかり、コロイド粒子が集積し、縞状のコロイド粒子配列構造が形成される。そして、さらに、かかる反復操作終了後、基板を乾燥することにより、液層中の溶媒の蒸発に伴って液層内でのコロイド粒子の移動が完遂し、最終的に、コロイド粒子が規則的に配列した帯状のコロイド粒子配列部分と、前記帯状のコロイド粒子配列部分に隣接する、前記コロイド粒子が実質的に存在しない隙間部分とが反復して成る縞状のコロイド粒子配列構造が得られる。なお、本明細書中、「コロイド粒子が実質的に存在しない」とは、レーザー顕微鏡や走査型顕微鏡を用いて1000倍の倍率で観察した場合に、コロイド粒子の存在が非常にまばらとなった状態を意味する。
【００１６】
なお、前記第一および第二のコロイド粒子配列化方法における前記相対スライド運動の速度に関して「一定の速度」とは、機械的手段により実現可能な厳密に一定の速さのみならず、基板ないしカバー部材を手動で引いた場合の実質的に一定な速度、即ち、基準となる引き速度から±5%の誤差の範囲の速度も含まれる。
【００１７】
また、本発明の第三のコロイド粒子配列化方法は、詳しくは、さらに、本発明の第一および第二のコロイド粒子配列化方法のステップ（ｄ）で、当該エッジ部と当該基板の間の隙間から外側に漏出るコロイド溶液の振動による配列化促進効果を利用するものである。かかる振動は、かかるコロイド溶液を振動可能なあらゆる方法で付与することができ、例えば、当該エッジ部、カバー部材および基板の少なくともいずれかにバイブレータ等の振動手段を接触させる、前記空間部分に貯留された当該コロイド溶液ないしエッジ部から外側へ漏れ出したすぐの当該コロイド溶液に超音波をかける、当該コロイド溶液の周囲の電場や磁場を変化させる等により可能である。このように、当該エッジ部と当該基板の間の隙間から外側に漏出るコロイド溶液に振動を付加することにより、配列化させたコロイド粒子配列構造における配列規則性の欠陥を減らすことができる。
【００１８】
本発明の前記第一、第二および第三のコロイド粒子配列化方法によれば、例えば、数ナノメートル〜数百マイクロメートルの平均粒径を有する１種類以上のコロイド粒子を配列可能である。配列されるコロイド粒子は、互いに実質的に同じ粒径を持つことが好ましい。ここで、本明細書中、「実質的に同じ粒径のコロイド粒子」は、ある粒子群に含まれる粒子のうちの、当該粒子群の平均粒径と標準偏差値／平均粒子径が5%以下の誤差の粒径を持つコロイド粒子の集まりと言い換えることができる。本発明で好適に配列されるコロイド粒子としては、例えば、ポリスチレン、ポリアクリルアマイド等の高分子の粒子や、シリカ、チタニア等の酸化物粒子の他、銀、白金、金等の金属粒子が挙げられる。かかるコロイド粒子は、本発明のコロイド粒子配列化方法に際し、分散媒中に分散されて、コロイド溶液として使用される。かかるコロイド溶液は、例えば、ゾルゲル法、酸化・還元法、高分子重合法等により作製可能であるが、市販のものを原液で、ないし希釈あるいは濃縮して用いてもよい。この場合、分散媒としては、例えば、水およびアルコール等の有機溶媒等が挙げられる。
【００１９】
なお、本発明の方法および装置に関しては、コロイド溶液の濃度と正の相関で基板の引き速度を変化させることにより、エッジ部と基板の間の隙間から漏出される液層の基板における面積を調整して、一様なコロイド粒子の規則配列構造を得ることができるところに特徴がある。詳しくは、コロイド粒子を1〜30％の体積百分率で分散させたコロイド溶液において、コロイド溶液のコロイド粒子体積百分率に対して正の相関で基板引き速度を変化させることで、高い規則性を持ったコロイド粒子配列構造が一様に得られることが、発明者により確認されている。
【００２０】
また、前記コロイド溶液は、規則的に配列させることを予定する前記コロイド粒子の他に、より粒径の小さいコロイド粒子を分散させてもよい。本段落中、前者のコロイド粒子を大粒子と呼びその粒径をdLと記載し、後者のコロイド粒子を小粒子と呼び、その粒径をdSと記載する。このように前記コロイド溶液に、小粒子を追加した場合、おそらくは、小粒子の動きによる大粒子の配列化促進効果や、大粒子の配列に先行して小粒子が移動配列することに伴う効果により、大粒子の配列化がいっそう容易になる（図１０Ｂ）。これに関しては、dSが0.2〜0.5μmで、dLが1〜10μmで、dS/dL＜0.25の関係を満たす２種類の大小粒子を、大粒子の体積に対する小粒子の体積比（体積百分率比)0.05〜0.2で分散させたコロイド溶液を用いた場合に、大粒子の規則的な配列化が促進されることが、発明者等により確認されている。
【００２１】
本発明の前記コロイド粒子配列化方法は、ステップ（ｂ）により、前記エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして対向するようになっていることにより、前記カバー部材と前記基板の間の、当該エッジ部が前記基板に対して鋭角をなす側の空間部分にコロイド溶液を貯留した状態で前記基板と前記カバー部材を相対スライド運動させた時に、当該コロイド溶液が、当該エッジ部と基板の間の隙間から外側へ出たところで盛り上がることなく、一定の厚さの液層を漏出形成して、当該液層におけるコロイド粒子の配列規則性を制御できるようになっているところに特徴がある。
【００２２】
また、本発明の前記コロイド粒子配列化方法は、前記基板と前記カバー部材の相対スライド運動の速度を適宜調節することにより、適宜の量のコロイド溶液が、エッジ部と基板の間の隙間から外側に漏れ出して、コロイド粒子が配列するのに必要な当該基板の濡れ状態を、基板上において適宜の面積で確保できるため、基板の濡れ状態に依らずに、コロイド粒子を適切に配列化できるところに特徴がある。また、特に粒子径の異なる２種類のコロイド粒子から成るコロイド溶液を用いた場合には、おそらくは、基板およびカバー部材を相対スライド運動させた際にエッジ部と基板の間の隙間から外側に延出形成される液層において、大粒子の配列化に先行して小粒子が移動する結果、大粒子の配列箇所の先端部で小粒子配列の凹凸面により、完全濡れに近い状態が形成されて、いっそう容易に大粒子の規則配列が成長でき、効率がよい（図１０Ｂ）。
【００２３】
なお、本発明の第一のコロイド粒子配列化方法に関しては、特に、0.5〜2.0μmの粒子径の2〜20％の体積百分率のコロイド溶液を用いて、基板を10〜50μm/sの速度で引く、即ちスライドさせることにより、当該薄膜の一端から漏れ出した液層乾燥後において、高度に規則的なコロイド粒子配列構造が得られることが、発明者等により確認されている。また、かかる第一のコロイド粒子配列化方法において、コロイド溶液を当該空間部分に、10〜100μL/hの一定の流速で継続的に供給することにより、同様のコロイド粒子規則配列構造を得るのに、基板の引き速度を1.2〜3倍速めることができることが、発明者等により確認されている。
【００２４】
また、本発明の第二のコロイド粒子配列化方法に関しては、1〜5μmの平均粒径の大粒子と0.4〜0.5μmの平均粒径の小粒子を用い、前記基板を5〜10μm/sの一定の第一の速度で5〜20秒間引いた後、50〜200μm/sの一定の第二の速度で1〜2秒間引く操作を複数回反復することにより、50〜100μmの帯状のコロイド粒子配列部分と、これに隣接する100〜200μmの隙間部分とが反復して縞を形成して成るコロイド粒子配列構造が得られることが、発明者等により確認されている。
【００２５】
また、本発明の第三の方法に関しては、振動が、50〜1000Hz、特に200〜600Hzの振動数である場合に、欠陥の少ない規則的なコロイド粒子配列構造が広面積で得られることが、発明者等により確認されている。なお、特に、コロイド溶液中に配列化を予定するコロイド粒子よりもサイズの小さいコロイド粒子を分散させた場合には、かかる小さいコロイド粒子を分散させない場合と比較して、より高速で基板を引いて、同様の規則的なコロイド粒子配列構造を得ることができることが、発明者等により確認されている。
本発明の前記コロイド粒子配列化方法は、例えば、以下に説明する本発明の前記コロイド粒子配列化装置を用いて好適に実施できる。
【００２６】
次に、本発明のコロイド粒子配列化装置は、
基板と、
前記基板の上に配置される、エッジ部を備えたカバー部材と、
前記エッジ部が、前記基板に対向するように、前記基板および前記カバー部材を、互いに間隔を空けて、互いに対してスライド運動可能に支持する支持部と、を備え、
前記エッジ部が、前記基板に対して鋭角をなして傾斜しつつ、前記基板と前記カバー部材の間の空間を遮ることにより、前記エッジ部と前記基板とが鋭角をなす側に、コロイド溶液貯留空間が形成されており、
さらに、前記カバー部材を、前記基板に対して、前記コロイド溶液貯留空間が前記エッジ部よりも先行する方向にスライドさせるか、または、前記基板を、前記カバー部材に対して、前記エッジ部に関して前記コロイド溶液貯留空間と反対側方向にスライドさせる駆動手段を備え、
前記エッジ部と前記基板との間には隙間が形成されていて、当該隙間がコロイド溶液の出口を形成し、
前記基板および前記カバー部材の相対スライド運動により、前記コロイド溶液貯留空間に貯留されたコロイド溶液が前記出口から外側に漏出するようになっていること、を特徴とする。
【００２７】
本発明のコロイド粒子配列化装置を構成する前記基板は、その上面に前記コロイド粒子を配列化させるものであり、前記本発明のコロイド粒子配列化方法において用いる基板と同じ構成のものでよい。
また、本発明のコロイド粒子配列化装置を構成する前記カバー部材は、基板に対して鋭角をなして対向配置可能なエッジ部を備え、当該エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして傾斜するように、前記基板に対向させた場合に、基板を覆って、前記基板との間の、前記エッジ部と前記基板とが鋭角をなす側に、当該エッジ部により遮られる空間（コロイド溶液貯留空間）を形成し得るあらゆる形状のものである。エッジ部は、かかるカバー部材の縁を含む部分ないし、カバー部材に設けられた、縁を有する部材であり、好ましくは、基板に対向する部分が直線状に形成されたものであり、例えば、カバー部材が四角形状の平板である場合の当該平板の一端ないし一端縁や、カバー部材が角を有する立体物である場合の当該立体物の角部であり、また、カバー部材に設けられた、一定幅の尖端を有する切片等である。
【００２８】
前記基板と前記カバー部材とは、互いに間隔を空けて、互いに対してスライド運動可能に、別途の支持部により支持され、エッジ部は、前記基板の上面との間においてコロイド溶液の出口となる隙間を形成する。
ところで、本明細書中、前記本発明の装置に関して、「エッジ部が基板に対して鋭角をなして傾斜する」とは、前記本発明のコロイド粒子配列化方法のステップ（ｂ）における「前記エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして対向する」について前述した態様と同様、エッジ部が、カバー部材とエッジ部の相対スライド運動により、エッジ部と基板の間の隙間から漏れ出すコロイド溶液の液層の上面と、90°を越す角度で接触可能な態様にあることを意味し、当該エッジ部の基板に対する傾斜角度は、概して小さいほどコロイド粒子を容易に配列化でき、例えば、好ましくは5〜80°であり、より好ましくは、5〜50°である。
【００２９】
本発明のコロイド粒子配列化装置において、前記エッジ部と前記基板の間の隙間は、配列化を予定するコロイド粒子の直径よりも大きく、かつ、当該コロイド粒子を含むコロイド溶液を一定量ずつ漏出させ得る程度の間隔であればよく、かかる大きさの隙間が確保されるように、カバー部材が支持部で支持される必要があるが、特に、エッジ部が非常に薄く軽いものである場合等には、単に基板上にエッジ部を当接配置することにより、所望の隙間を実質的に確保し得る。
【００３０】
即ち、本発明のコロイド粒子配列化装置は、前記エッジ部が前記基板に対して鋭角をなして傾斜していることにより、前記コロイド溶液貯留空間にコロイド溶液を貯留した状態で、前記基板と前記カバー部材とを相対スライド運動させた時に、当該コロイド溶液が、当該エッジ部と当該基板の間の隙間から外側へ出たところで盛り上がることなく、一定の厚さの液層を外側に漏出形成して、当該液層におけるコロイド粒子の配列の規則性を制御できるようになっているところに特徴がある。
【００３１】
本発明のコロイド粒子配列化装置において、前記基板と前記カバー部材を、相対的にスライド運動させる駆動手段は、前記基板を固定した状態で前記カバー部材をスライド移動させるものであっても、前記カバー部材を固定した状態で前記基板をスライド移動させるものであってもよく、前記カバー部材を前記基板に対して、ないし前記基板を前記カバー部材に対して引っ張る機械的手段や手動等の、あらゆる手段が可能である。
本発明のコロイド粒子配列化装置は、基板とカバー部材の相対スライド運動を所望の態様で確実に行うために、前記基板と前記カバー部材の相対スライド運動の速度を制御可能に、前記駆動手段の動作を制御する制御手段を備えていてもよい。
【００３２】
本発明のコロイド粒子配列化装置は、また、前記本発明のコロイド粒子配列化装置における前記出口から外側に漏出したコロイド溶液層におけるコロイド粒子の配列の規則性を向上させるために、当該出口から外側に漏出するコロイド溶液に振動を付与するための振動付与手段を備えていてもよい。かかる振動付与手段としては、エッジ部、カバー部材および基板の少なくともいずれかを振動させるためのバイブレータ等の振動手段、前記空間部分に貯留された当該コロイド溶液ないしエッジ部から外側へ漏れ出たすぐの当該コロイド溶液を振動させるための超音波、当該コロイド溶液の周囲の電場や磁場を変化させる手段等が挙げられる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のコロイド粒子配列化方法および装置によれば、基板の濡れ性およびコロイド溶液中のコロイド粒子濃度の影響を少なくして、高い規則性のコロイド粒子配列構造を広面積で、確実に得ることができる。また、本発明のコロイド粒子配列化方法は簡便であり、本発明のコロイド粒子配列化装置は、作製も操作も簡便である。
【実施例】
【００３４】
以下の実施例では、まず実施例１〜３に、本発明のコロイド粒子配列化装置の好ましい具体例を示し、次いで実施例４〜１４に、各実施例において明記する、実施例１または実施例２の装置を用いて行った本発明のコロイド粒子配列化方法の実施態様を、当該方法の有利な効果を明示するデータと共に示す。実施例１による装置は図１に、実施例２による装置は図２に、実施例３による装置は図３に示す。
【００３５】
[実施例１]
図１に示す本発明のコロイド粒子配列化装置１は、ステージＳの上に配置された基板２（マツナミ製、縦7.6cm×横2.6cm×厚さ0.15cm）と、前記基板２の上に配置されたカバー部材３（アルミ製、横幅(Ｗ)1.3cm)と、カバー部材３を支持する支持部材４と、から成る。カバー部材３は、図１Ｂに示すように、基板２に対して45°の傾斜面５を有する平板型小片を、傾斜面５を前方として、その底部を、中央部から前方部分ｆにかけて後方部分ｂよりも0.5mm高く形成し、かつ、中央部に、底部に対して直角方向に筒状部材６を貫通して成る。かかるカバー部材３は、その上面部後方において支持部材４により支持されるとともに、その底部後方部分ｂにより基板２の上に支持されて、カバー部材３の底部の中央部から前方部分ｆにかけての凹み部分が、基板２との間で一定の間隔のコロイド溶液貯留空間７(収容量200μl)を形成するようになっている。カバー部材３の前方端は、カバー部材３の底部の前方部分ｆと傾斜面５とに挟まれる、カバー部材３の横幅方向に真直なエッジ部８を形成している。即ち、エッジ部８は、基板２に対して45°の角度（α）で傾斜しており、エッジ部８と基板２の間には、コロイド溶液貯留空間７から連続する0.5mmの隙間が空いていて、コロイド溶液の出口９を形成する。この装置１では、筒状部材６がコロイド溶液供給部を形成し、その上方開口からコロイド溶液を供給でき、筒状部材６の内部空洞Ｈを経てコロイド溶液貯留空間７に、コロイド溶液を貯留できる。この装置１は、コロイド溶液貯留空間７にコロイド溶液を貯留した状態で、基板２を、カバー部材３に対して、エッジ部８に関してコロイド溶液貯留空間７と反対側方向（Ｄ）に、ステージＳの上をスライドさせることができる。
【００３６】
[実施例２]
図２に示す本発明のコロイド粒子配列化装置１'は、ステージＳ'と、ステージＳ'の上に配置された基板２'（スライドガラス；マツナミ製、縦7.6cm×横2.6cm×厚さ0.15cm）と、前記基板２'の上に配置されたカバー部材３'（カバーガラス；MUTO PURE CHEMICAL製、縦2.4cm×横2.4cm×厚さ0.15mm)と、カバー部材３'を支持する支持部材４'と、から成る。カバー部材３'は、基板２'に対して30°の角度で傾斜するように、その上端部において接着剤により支持部材４'に固定されて、カバー部材３'と基板２'との間の空間に、コロイド溶液を貯留可能なコロイド溶液貯留空間７'を形成する。カバー部材３'の下端はエッジ部８'を形成し、エッジ部８'は基板２'に対して30°の角度（α'）で傾斜して、基板２'と当接状態で対向し、対向部は直線形状になっている。ここで、このカバー部材３'は非常に軽量で薄いガラス製であることから、その下端と基板２'の間には、ミクロレベルの隙間が空いており、コロイド溶液の出口を形成する。この図に示す装置１'は、コロイド溶液貯留空間７'に、ピペットを用いてコロイド溶液を供給でき、コロイド溶液貯留空間７'にコロイド溶液を貯留した状態で、基板２'を、エッジ部８'との当接状態を保ちながら、カバー部材３'に対して、エッジ部８'に関してコロイド溶液貯留空間７'と反対側方向（Ｄ'）に、ステージＳ'の上をスライドさせることができる。
【００３７】
[実施例３]
図３に示す本発明のコロイド粒子配列化装置１"は、ステージＳ"と、ステージＳ"の上に配置された基板２"と、前記基板２"の上に配置されたカバー部材３"と、カバー部材３"を支持する支持部材４"と、から成る。カバー部材３"は、その長手方向の一端において支持部材４"により支持されて、基板２"との間に空間を形成しており、カバー部材３"の底部には、この空間を遮るように、基板２"を横切る方向に、先端が20°に尖った一定幅のエッジ部８"が、当該先端を形成する一方側部分が基板２"に対して50°(α")をなし、他方側部分が基板２"に対して30°（β）をなすように、基板２"に対して鋭角をなして設けられており、この空間の、エッジ部８"が基板２"に対して鋭角をなす部分には、コロイド溶液貯留空間７"が形成されている。エッジ部８"は、基板２"との対向部が直線形状に形成されており、基板２"との間には、0.1mmの隙間が空いていて、コロイド溶液の出口９"を形成する。カバー部材３"の中央部には、カバー部材３"を貫通する孔Ｈ"が設けられており、この孔Ｈ"からコロイド溶液貯留空間７"にコロイド溶液を供給できる。この図に示す装置１"は、コロイド溶液貯留空間７"にコロイド溶液を貯留した状態で、基板２"を、カバー部材３"に対して、エッジ部８"に関してコロイド溶液貯留空間７"と反対側方向（Ｄ")に、ステージＳ"の上をスライドさせることができる。
【００３８】
実施例１〜３に示す本発明のコロイド粒子配列化装置には、基板をカバー部材に対してスライドさせるための機械的駆動手段と、当該機械的駆動手段の動作を制御する制御手段を装着することができる。
実施例１〜３に示す本発明のコロイド粒子配列化装置には、さらに、エッジ部と基板の間の隙間から外側に漏出するコロイド溶液に振動を付与するための振動付与手段を装着することができる。
なお、実施例１〜３に示す本発明のコロイド粒子配列化装置を用いて本発明のコロイド粒子配列化方法を実施するに際して、基板は、好ましくはエッジ部に対して直角方向にスライドされる。
【００３９】
以下の実施例４〜１４に、本発明のコロイド粒子配列化装置を用いて行った、本発明のコロイド粒子配列化方法の実施態様例を示す。実施例４〜７は、実施例１に示す本発明のコロイド粒子配列化装置を、実施例８〜１４は実施例２に示すコロイド粒子配列化装置を用いて行った。
【００４０】
[実施例４〜７]
実施例４〜７では、実施例毎に各々表１に示す組成のコロイド溶液を各々計30μL、実施例１の装置におけるコロイド溶液貯留空間７に、コロイド溶液供給部の開口からマイクロシリンジポンプにより、実施例毎に各々表１に示す供給速度で供給しながら、基板２を、カバー部材３に対して、エッジ部８に関してコロイド溶液貯留空間７と反対側方向に、エッジ部８に対して直角方向に、ステッピングモーターを用いて実施例毎に各々表１に示す一定の速度で引いた後、基板２の表面を自然乾燥した。その後、基板２の表面を光学顕微鏡（100〜1000倍）で観察し、ビデオカメラで撮影した。
【００４１】
【表１】
2008049296.tif 000003
【００４２】
実施例４の結果得られた画像を図４に示すが、実施例５および実施例６によっても同様の画像が得られた。また、実施例７の結果得られた画像を図５に示す。図４および図５から、本発明の第一のコロイド粒子配列化方法により、高い規則性のコロイド粒子配列構造が得られることが分かる。実施例４と実施例５の結果の比較から、充填するコロイド溶液の体積百分率の増減に応じて適宜基板の引き速度を正の相関で増減させることで、一様なコロイド粒子配列構造を得ることができることが分かる。実施例４と実施例６の結果の比較から、コロイド溶液貯留空間にコロイド溶液を、継続的に一定の速度で供給しながら、基板を引くことにより、同様のコロイド粒子配列構造を得るに際して基板の引き速度を速めることができ、より短時間で所望のコロイド粒子配列構造を得ることができることが分かる。実施例４と実施例７の結果の比較から、配列化を予定するコロイド粒子の他に、当該コロイド粒子よりもサイズの小さいコロイド粒子をも分散させることでも、同様のコロイド粒子配列構造を得るに際しての基板の引き速度を速めることができることが分かる。
【００４３】
[実施例８〜９]
実施例毎に表２に示す組成のコロイド溶液を各々30μL、実施例２の装置におけるコロイド溶液貯留空間７'に、ピペットで注入し、次いで、基板２'をカバー部材３'に対して、エッジ部８'に関してコロイド溶液貯留空間７'と反対側方向に、手で、実施例毎に各々表２に示す一定の速度で引いた後、基板の表面を自然乾燥した。各サンプルに関し、基板２'の表面を光学顕微鏡（100〜1000倍）で観察し、当該視野をビデオカメラで撮影した。
【００４４】
【表２】
2008049296.tif 000004
【００４５】
実施例８および実施例９の結果得られた画像を、各々図６Ａおよび図６Ｂに示す。本発明の第一のコロイド粒子配列化方法により、高い規則性のコロイド粒子配列構造が得られることが分かる。
【００４６】
[実施例１０〜１１]
実施例２の装置１'と図２Ｃに示す振動付与手段１０を用いて、以下の実施例１０および実施例１１を行った。振動付与手段１０は、スピーカー振動発生装置Ｖ（ELECOM製、品番MS-77SV）に振動伝達棒Ｎ（直径1mm）を接着剤で固定したものである。この振動付与手段１０においては、スピーカー振動発生装置Ｖは、0〜1000Hzの振動を発生することができ、スピーカー振動発生装置Ｖの振動は実質的に同じ振動を振動伝達棒Ｎの先端に発生させることができる。
【００４７】
実施例毎に表３に示す組成のコロイド溶液を各々計30μL、実施例２の装置１'におけるコロイド溶液貯留空間７'に、ピペットで注入し、カバー部材３'の上面に振動付与手段１０の振動伝達棒Ｎの先端を当接させ、スピーカー振動発生装置Ｖを一定の振動数で振動させつつ、基板２'をカバー部材３'に対して、エッジ部８'に関してコロイド溶液貯留空間７'と反対側方向に、手で、実施例毎に各々表３に示す一定の速度で引き、次いで基板２'を自然乾燥した。なお、実施例１０および実施例１１のいずれにおいても、スピーカー振動発生装置Ｖの振動数を、200Hz、400Hz、600Hz、800Hzおよび1000Hzと変化させた。カバー部材３'に振動を付与しなかったこと以外は実施例１０と同じ条件で行う比較例も同時に行った。各サンプルに関し、基板２'の表面を光学顕微鏡（100〜1000倍）で観察し、当該視野をビデオカメラで撮影した。
【００４８】
【表３】
2008049296.tif 000005
【００４９】
実施例１０の結果得られた画像を比較例の結果と共に図７に示すが、実施例１１によっても、各振動数において実施例１０と同様の画像が得られた。これより、比較例との比較で、一定の振動をコロイド溶液に付与した場合、振動を付与しなかった場合と比較して、同様のコロイド粒子配列構造がより欠陥の少ない状態で、即ち広面積で得られることが分かる。また、実施例１０と実施例１１の結果を比較して、配列化を予定するコロイド粒子の他に、当該コロイド粒子よりもサイズの小さいコロイド粒子をも分散させることで、より短時間で同様のコロイド粒子配列構造を得ることができることが分かる。
【００５０】
なお、図７に示す撮影画像に基づき、コロイド溶液の振動の、コロイド粒子配列構造への影響を評価した。この評価は、図７に示す撮影画像上に等間隔で線を引き、その線がコロイド粒子の配列の規則性が乱れた箇所を過ぎる回数（以下、配列欠陥数と呼ぶ）を数えることにより行った。図８に、この評価の結果を示す。
図８より、特に200〜600Hzの一定の振動を付与した場合に、コロイド粒子配列構造における配列欠陥数が有意に減ることが分かる。
【００５１】
[実施例１２〜１４]
実施例２の装置１'を用いて、以下の実施例１２〜１４を行った。
表４に示す組成のコロイド溶液を、実施例毎に各々30μL、実施例２の装置１'におけるコロイド溶液貯留空間７'に、ピペットで注入し、次いで、基板２'をカバー部材３'に対して、エッジ部８'に関してコロイド溶液貯留空間７'と反対側方向に、一定の速度（以下、第一速度と記載する）で一定の時間手で引いた後、前記第一の速度よりも速い速度（以下、第二速度と呼ぶ）で一定時間引くサイクルを反復した。実施例毎の基板２'の引き速度は、表４に示す通りである。サイクルを終了後、基板２'の表面を自然乾燥した。その後、基板２'の表面を光学顕微鏡（100〜1000倍）で観察し、ビデオカメラで撮影した。
【００５２】
【表４】
2008049296.tif 000006
【００５３】
実施例１２の結果得られた画像を図９に示すが、実施例１３および実施例１４によっても同様の画像が得られた。これより、本発明の第二のコロイド粒子配列化方法により、コロイド粒子が規則的に配列した帯状のコロイド粒子配列部分と、前記帯状のコロイド粒子配列部分に隣接する、前記コロイド粒子が実質的に存在しない隙間部分とが反復して縞を形成して成る縞状のコロイド粒子配列構造が容易に得られることが分かる。
例えば、このコロイド粒子配列構造の光反射特性を利用して、反射フィルターやカラーフィルター等の光学材料を作製することができる。また、例えば、縞をなす帯状のコロイド粒子配列部分に所定の物質や分子を結合して、コンビナトリアル化学やバイオセンサーの基板を作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明のコロイド粒子配列化装置の好ましい一態様を示す図である。Ａは斜視図を、Ｂは縦断面図を、Ｃは底面図を示す。
【図２】図２は、本発明のコロイド粒子配列化装置の別の好ましい一態様を示す。Ａは斜視図であり、Ｂは側面図である。Ｃは、ＡおよびＢに示す本発明のコロイド粒子配列化装置を振動付与手段と共に使用する場合の一態様を示す図である。
【図３】図３は、本発明のコロイド粒子配列化装置のさらに別の好ましい一態様を示す。Ａは斜視図であり、Ｂは側面図である。
【図４】図４は、実施例４の結果得られたコロイド粒子配列構造の撮影画像を示す。Ａは原画像を、ＢはＡを拡大した画像を示す。
【図５】図５は、実施例７の結果得られたコロイド粒子配列構造の撮影画像を示す。Ａは原画像を、ＢはＡを拡大した画像を示す。
【図６】図６は、実施例８および実施例９の結果得られた画像を示す。Ａは、実施例８の結果を、Ｂは実施例９の結果を示す。
【図７】図７は、実施例１０の結果得られたコロイド粒子配列構造の撮影画像を比較例の結果と共に示す。
【図８】図８は、コロイド溶液に付与した振動の、本発明の方法によるコロイド粒子配列構造に与える影響を示すグラフを示す。グラフ縦軸は配列欠陥数を、横軸は振動数を示す。
【図９】図９は、実施例１２の結果得られたコロイド粒子配列構造の撮影画像を示す。
【図１０】図１０は、本発明のコロイド粒子配列化方法の原理を説明するための図である。Ａは、実質的に同じ粒径の１種類のコロイド粒子を分散させたコロイド溶液を用いた場合を示し、Ｂは、配列化を予定するコロイド粒子に加えて、より小さい粒径のコロイド粒子を分散させたコロイド溶液を用いた場合を示す。
【符号の説明】
【００５５】
１、１'、１"  本発明のコロイド粒子配列化装置
２、２'、２"  基板
３、３'、３"  カバー部材
４、４'、４"  支持部材
５  傾斜面
６  筒状部材
７、７'、７"  コロイド溶液収容空間
８、８'、８"  エッジ部
９、９"  出口
１０  振動付与手段
ｂ  底部後方部分
ｆ  底部前方部分
Ｄ  基板のスライド方向
Ｈ  筒状部材６の内部空洞
Ｈ'  孔
Ｎ  振動伝達棒
Ｓ  ステージ
Ｖ  振動発生装置
α、α'、α"  エッジ部の基板に対する傾斜角度
【図１】
2008049296.tif 000007
【図２】
2008049296.tif 000008
【図３】
2008049296.tif 000009
【図８】
2008049296.tif 000010
【図１０】
2008049296.tif 000011
【図４】
2008049296.tif 000012
【図５】
2008049296.tif 000013
【図６】
2008049296.tif 000014
【図７】
2008049296.tif 000015
【図９】
2008049296.tif 000016