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助成番号 161284
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

液中溶存ガスがマイクロバブル周辺の光誘起マランゴニ対流に与える影響の解明

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Effect of dissolved gasses in water on light-induced Marangoni flows around a
microbubble

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）ﾅﾑﾗ名）ｷｮｳｺ

研究期間 Ｂ

２０１６ ～ ２０１７ 年

漢字 ＣＢ

名村今日子

報告年度 ＹR

２０１７ 年

Kyoko

研究機関名

京都大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Namura

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名

京都大学大学院工学研究科・助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
気液界面の温度勾配により生じるマランゴニ対流は微小流体の駆動源への応用が期待される。最近我々は、金ナノ粒子薄膜の光熱変換特性を利用することで、水中でマイクロバブルを生成し、バブル周辺にマランゴニ対流が発生できることを実験的に示した。一方で、バブルの周辺に発生するマランゴニ対流の強度はバブルの大きさに依存することが他研究グループの数値計算によって示唆されていた。このマイクロバブルの大きさは水中溶存気体濃度によって調整できると期待される。そこで本研究では、金ナノ粒子薄膜の光熱変換特性をもちいて、溶存気体量を制御した水中でのマイクロバブルとマランゴニ対流の発生について調べた。まず、水を真空超音波脱気したのちに、酸素を溶解させることで水中溶存酸素量を制御した。次に、動的斜め蒸着を用いて金ナノ粒子薄膜を作製した。金ナノ粒子薄膜上に観察用のセルを作製し、溶存酸素量を調整した水で満たした。金ナノ粒子薄膜に波長 785 nm、強度 29 mW のレーザー光を集光し、発生するマイクロバブルと光熱マランゴニ対流を観察した。その結果、溶存酸素量が 6 mg/L 以上では、緩やかな対流を伴う酸素を多く含むバブルが生成した。また溶存酸素量が 2 mg/L 以下では、非常に急激な流れを伴う水蒸気バブルが生成した。さらに、溶存酸素量が 2— 6 mg/L の領域では、前述した両方のバブルが生成した。酸素を多く含むバブルと水蒸気バブルとは確率的に生成し、水蒸気バブルが生成する確率は水中溶存酸素量が少なくなるほど高くなった（現在論文査読中）。さらに本研究を進める中で、水中溶存気体量だけでなく水へのアルコール添加濃度がマイクロバブルの成長やその周りのマランゴニ対流の発生に大きな影響を与えることがわかった（K. Namura etal., Nanotechnology 2018）。本研究で得られた成果は、マイクロバブル及びマランゴニ対流の性質を理解する上で重要な知見を与える。

キーワード ＦＡ

マイクロバブルマランゴニ対流

金ナノ粒子薄膜（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -脱気発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Investigation of transition from thermal- to solutal-Marangoni flow in dilute alcohol/water mixtures using nano-plasmonic heaters

著者名 ＧＡK. Namura, K. Nakajima,
M. Suzuki

雑誌名 ＧＣ

Nanotechnology

ページ ＧＦ065201-1～7

発行年 ＧＥ

2

雑誌

01

8

巻号 ＧＤ

29

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Temperature gradient at a gas-liquid interface causes a variation of the surface tension, which generates
Marangoni flows. In our previous study, we showed that thermoplasmonic effect of a gold nanoisland film
is suitable for the generation of a microbubble in water and Marangoni flows around it. In order to control
and understand the Marangoni flow more precisely, investigation on the properties of the generated
microbubble has been necessary. It is considered that the nature of microbubbles depends heavily on
dissolved gases in water. Therefore, in this study, we have investigated the nature of microbubbles andthe Marangoni flows in water with controlled dissolved gases concentration. The gold nanoisland film wasfabricated on a glass substrate by using the glancing angle deposition technique. A fluidic cell wasprepared on the gold nanoisland film and filled with water with controlled oxygen concentration from 1 to20 mg/L. By focusing a laser (wavelength: 785 nm) onto the gold nanoisland film from the rear side of thesubstrate, we generated a microbubble and a Marangoni flow. As oxygen concentration in water isreduced, the microbubble diameter decreases. When water has high oxygen concentration of more than 6mg/L, stable oxygen-rich microbubble is generated. It is accompanied with Marangoni flow, whose flow
speed is up to several mm/s around the bubble. On the other hand, when water has low oxygen
concentration of less than 2 mg/L, a tiny water vapor microbubble with a diameter of 10 μm is generated.
This microbubble is accompanied with a significantly rapid Marangoni flow, whose flow speed exceeds 1m/s in the vicinity of the bubble. Furthermore, in the range of 2—6 mg/L, the water vapor bubble isgenerated stochastically. These results suggest that the gas composition in the bubble is the key togenerate strong Marangoni flows. The rapid Marangoni flow around the water vapor bubble is expected tobe useful for particle manipulation or microfluidic mixing.

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