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WO2006109583A1 - 液体アクチュエータ - Google Patents

液体アクチュエータ Download PDF

Info

Publication number
WO2006109583A1
WO2006109583A1 PCT/JP2006/306705 JP2006306705W WO2006109583A1 WO 2006109583 A1 WO2006109583 A1 WO 2006109583A1 JP 2006306705 W JP2006306705 W JP 2006306705W WO 2006109583 A1 WO2006109583 A1 WO 2006109583A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
water
repellent layer
electrolyte
electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/306705
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroaki Rikihisa
Tetsuya Hamaguchi
Takeshi Ooi
Original Assignee
The Furukawa Electric Co., Ltd.
The University Of Tokyo
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by The Furukawa Electric Co., Ltd., The University Of Tokyo filed Critical The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority to JP2007512873A priority Critical patent/JP4253028B2/ja
Publication of WO2006109583A1 publication Critical patent/WO2006109583A1/ja
Priority to US11/907,490 priority patent/US7632388B2/en

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B01L3/502792—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics for moving individual droplets on a plate, e.g. by locally altering surface tension
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/00851—Additional features
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
    • B01L2300/165—Specific details about hydrophobic, oleophobic surfaces
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    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/046—Chemical or electrochemical formation of bubbles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/082—Active control of flow resistance, e.g. flow controllers

Definitions

  • the present invention relates to a liquid actuator. Specifically, the present invention relates to a liquid actuator that controls the wettability of the surface of the structure, and relates to a liquid actuator that controls the fluidity of droplets formed on the surface. Furthermore, the present invention relates to a liquid actuator that controls liquid mixing, liquid distribution, increase / decrease in liquid volume, and liquid formation.
  • Non-Patent Document 1 discloses a method for changing the surface tension of a liquid by applying a voltage to the liquid.
  • this method it is necessary to continuously apply a voltage in order to maintain wettability, and the output varies depending on the type of liquid and the dissolved material.
  • Non-Patent Document 2 discloses that a polymer is deformed by temperature to change wettability.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11-90217
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-155357
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-119551
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-347218
  • Non-Patent Document 1 Journal ⁇ Ob ⁇ Microelectromechanical-Cal ⁇ System (Journal of
  • Non-Patent Document 2 Search on April 8, 2005, Internet ⁇ URL: http: ZZwww.cell seed, com / tecnnology.htm
  • the present invention provides a liquid actuator capable of changing and controlling the wettability of the surface of a structure such as a substrate according to the purpose.
  • the present invention also provides a liquid actuator that controls the fluidity of liquid such as droplets on the surface of the structure. Furthermore, the present invention controls the wettability of the surface and the fluidity of the liquid to form droplets, mix liquid droplets, increase / decrease the amount of liquid, control the flow of liquid, and a fine area.
  • the present invention provides a liquid actuator that can control them independently without requiring an extra mechanism.
  • the amount of liquid oozing or liquid absorption on the surface of the water-repellent layer is increased or decreased by adjusting the voltage applied between the electrodes in the range of 1.229 to 1.229V, or 1.
  • the wettability of the surface of the structure is changed by increasing or decreasing the amount of gas induced on the surface of the water-repellent layer by adjusting in a voltage range exceeding 229 V (5) or (6)
  • electrolyte is an organic electrolyte, an inorganic electrolyte, or an electrolyte obtained by combining them.
  • the electrolyte has a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, a phosphinic acid group, a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, and a primary amino group.
  • the water repellent layer comprises a paraffinic water repellent, a fluorine water repellent, and a silicon water repellent.
  • a liquid flow control actuator characterized by:
  • a plurality of the liquid actuators according to any one of (1) to (13) are independently installed, and the wettability of the surface of the water-repellent layer is independently changed for each installed region, Alternatively, the electrode portion of the liquid actuator is divided into a plurality of regions, a water repellent layer is provided on the surface of the plurality of electrode portions, and the wettability of the surface of the water repellent layer is changed independently for each divided region. And
  • a liquid formation control feature characterized by aggregating a target amount of liquid in a desired region.
  • a liquid distribution control actuator wherein the regions of the liquid formation control actuator according to (16) are arranged so as to be independently controllable.
  • a liquid distribution control actuator characterized in that the liquid formation control actuator according to (16) is installed in a predetermined arrangement on a substrate.
  • a liquid distribution control actuator characterized by forming a liquid in a predetermined region distribution using the liquid formation control actuator described in (16).
  • a liquid actuator wherein a voltage is applied between a plurality of electrode parts including the electrode part provided with the water repellent layer, and the amount of liquid on the surface of the structure is changed by adjusting the applied voltage.
  • the voltage applied between the electrode parts is adjusted to electrolyze the liquid around the electrode parts and volatilize it as a gas to reduce the amount of liquid on the surface of the structure (20). Or the liquid actuator according to (21).
  • the electrolyte has a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, a phosphinic acid group, a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, and a primary amino group.
  • the water repellent layer contains at least one water repellent selected from the group consisting of a paraffinic water repellent, a fluorine water repellent, and a silicon water repellent (20)
  • Liquid actuator to be used.
  • the voltage applied between the electrode parts is adjusted to permeate and exude the liquid component in the structure onto the surface of the water repellent layer, thereby defluidizing the liquid formed on the surface of the structure, and
  • the voltage applied between the electrode parts is adjusted to induce gas generated by electrolyzing the liquid around the electrode part to the surface of the water-repellent layer, and the structure surface is controlled by the pressure of the gas.
  • the electrolyte has a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, a phosphinic acid group, a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, and a primary amino group.
  • the water repellent layer contains at least one water repellent selected from the group consisting of a paraffinic water repellent, a fluorine water repellent, and a silicon water repellent (28)
  • the liquid fluidity is controlled by changing a droplet contact angle when the droplet is formed on the surface of the water-repellent layer in a range of 90 to 150 °. (28) to (35) The liquid actuator according to item 1.
  • a droplet mixing actuator using the liquid actuator according to any one of (28) to (36), wherein a plurality of droplets that have been made non-fluidized on the surface of the structure by applying a voltage are provided.
  • the liquid actuator of the present invention makes it possible to change the wettability of the surface of a structure such as a substrate according to the purpose and to control it reversibly. Further, the liquid actuator of the present invention can control liquid droplets on the surface of the structure and reversibly control fluidization and non-fluidization of the liquid. Furthermore, the liquid actuator of the present invention controls the wettability of the surface and the fluidity of the liquid droplets, and in a fine region, with high accuracy, mixing of the liquid droplets, flow of the liquid, increase / decrease of the liquid volume, liquid 'droplet' Can be formed.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the liquid actuator of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing another embodiment of the liquid actuator of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view schematically showing one embodiment of the liquid actuator of the present invention, schematically illustrating the mechanism of the reversible transition, and FIG. 2 (a) is a water-repellent layer.
  • Fig. 2 (b) shows the state when a positive voltage is applied to the water repellent layer.
  • Fig. 3 is an explanatory view schematically showing one embodiment of the droplet mixing actuator of the present invention
  • Fig. 3 (a) is a front view schematically showing a state in which two droplets are formed and fixed.
  • Fig. 3 (b) is a plan view.
  • FIG. 3 (c) is a front view schematically showing the state after the droplets are brought into contact with each other, and
  • FIG. 3 (d) is a plan view thereof.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the liquid formation control actuator of the present invention.
  • FIG. 4 (a) is a state before droplet aggregation
  • FIG. Fig. 4 (c) shows a state where the droplets are aggregated in an unnecessary region
  • Fig. 4 (c) shows a state where the droplets are aggregated in a region where the droplets are to be collected.
  • FIG. 5 is a partial plan sectional view schematically showing an embodiment in which the liquid flow control actuator of the present invention is provided in a cylindrical flow path, and FIG. 5 (b) shows a state where distribution is open.
  • FIG. 6 is a partial plan sectional view schematically showing a mode in which the liquid flow control actuator of the present invention is provided in the slit-like flow path, and FIG. 6 (a) is a state in which the flow is cut off. (b) shows the state where distribution is open.
  • FIG. 7 schematically shows two states of wettability of the solid surface
  • Fig. 7 (a) is a partial cross-sectional view schematically showing a state in which gas enters the gap (Cathy 'state).
  • FIG. 7 (b) is a partial cross-sectional view schematically showing a state in which a liquid enters (Wenzel state).
  • Electrolyte layer (polymer pump layer)
  • Electrolyte layer (polymer pump layer)
  • the liquid actuator of the present invention has a structure in which two or more electrode parts electrically separated are provided on both sides or one side of the electrolyte layer, and a water repellent layer having a porous structure is provided on at least one electrode part outer surface. Body, apply voltage between the electrodes, and adjust the applied voltage Thus, the wettability of the structure surface is changed.
  • the liquid inside the structure is infiltrated and exuded on the surface of the water repellent layer, or the liquid is infiltrated and absorbed into the structure (in the present invention, the infiltrated exudation means that the internal liquid exudes to the outer surface through infiltration.
  • osmotic absorption means that the liquid on the outer surface penetrates into the inside through permeation.
  • the hydrophilic property of the surface of the water repellent layer is controlled, and the liquid around the electrode is electrolyzed to form a gas. Is generated on the surface of the water repellent layer to make the surface of the water repellent layer hydrophobic. Further, the voltage applied between the electrode parts is adjusted to induce the liquid in the structure onto the surface of the water repellent layer, thereby bringing the induced liquid into contact with the liquid on the surface of the water repellent layer.
  • This is a liquid activator that can be made non-fluidized or can generate a gas in the vicinity of the surface of the water-repellent layer and push up and fluidize the liquid by the increased atmospheric pressure.
  • the electrolyte used in the liquid actuator of the present invention is not particularly limited, and may be a cation electrolyte or an anion electrolyte. Also, organic electrolytes, inorganic electrolytes, combined electrolytes, etc. may be misaligned.
  • Organic electrolytes include sulfonic acid groups, carboxyl groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, phosphonic acid groups, quaternary ammonium groups, tertiary amino groups, secondary amino groups, primary amino groups, etc.
  • Organic electrolytes, and polymer electrolytes having one or more of these groups are preferred.
  • a polymer electrolyte having a sulfone group or a carboxyl group is preferable. Examples thereof include a perfluorosulfone membrane (for example, naphthion (trade name) manufactured by DuPont).
  • an inorganic electrolyte for example, an electrolyte composed of lithium, phosphorus, sulfur, etc., inorganic proton conductive oxide particles (for example, hydrated acid antimony (Sb 2 O ⁇ ⁇ ⁇ )) force
  • An electrolyte or an inorganic matrix eg, zirconium oxide (ZrO), silica (Si), and
  • Examples thereof include an electrolyte composed of O 2), titanium (TiO 2), and alumina (Al 2 O 3)) components.
  • an organic-inorganic mixed electrolyte in which an organic electrolyte layer and an inorganic electrolyte layer are bonded with a binder having an ion exchanger strength, or a polycyclic aromatic sulfonic acid is used.
  • electrolytes using solid acids obtained by carbonizing aromatic hydrocarbons with hot concentrated sulfuric acid and then carbonizing them with amorphous carbon materials is used.
  • the size and shape of the electrolyte there are no particular restrictions on the size and shape of the electrolyte, but when it is a flat plate, the preferred thickness is about 100 mm in length and width, preferably 200 m or less.
  • a shape other than a flat shape for example, a cylindrical shape or a mold shape that matches a desired shape may be used.
  • the electrode material used in the liquid actuator of the present invention may be any material as long as necessary conductivity is obtained, but gold, platinum, copper, other metals, carbon, etc. can be used, May be used alone or in combination.
  • the electrode portion is preferably provided on both sides or one side of the electrolyte layer and has a porous structure. More specifically, for example, it is preferable that the liquid that permeates and permeates into the water-repellent layer or permeates and absorbs gas molecules generated in the water-repellent layer can pass therethrough and can ensure conductivity as an electrode. However, when water is sufficiently supplied to the electrode surface, it is not always necessary to be porous. Therefore, the specific electrode state may be a state of being covered along the surface shape of the electrolyte membrane, or a porous thin layer film.
  • the formation method is not particularly limited as long as the formation method can obtain such a form, but it can be formed by a method such as chemical plating, adhesion of a metal thin film, or sputtering.
  • the porous processing can be performed at the time of metal thin film production or after the metal thin film production. More specifically, for example, porous force includes nanoimprint processing and masking caloe.
  • the thickness of the electrode part is not particularly limited, but is preferably 10 m or less.
  • a water repellent layer is provided on at least one electrode part.
  • the water-repellent layer is formed by, for example, dispersing a fluorine-based, norafine-based, or silicon-based material in a particulate form in a solvent (for example, a liquid adhesive), and applying, drying, and solidifying. Can do.
  • water repellents include paraffinic water repellents, fluorine (resin) water repellents, silicon (resin) water repellents, vinyl polymerization (resin) water repellents, and urethane (resin).
  • the water repellent layer has a porous structure and water permeability. For example, there are many fine holes with a diameter of 10 ⁇ : LOO m, and each hole can be independent! Favored ,.
  • a liquid-retaining layer can be provided as necessary, and the water-repellent layer is preferably provided on the opposite side of the electrolyte layer from the water-repellent layer. It is more preferable to install it on the opposite electrode part.
  • the liquid retaining layer may be any material as long as it can hold the liquid and be supplied to the electrolyte layer, and examples thereof include gels, porous materials, and nonwoven fabrics. When using a flat plate such as a nonwoven fabric, the size is the same as that of the electrolyte layer, and the preferred range is also synonymous.
  • the liquid retained in the liquid retaining layer is not particularly limited, and examples thereof include an aqueous medium (for example, water, a solution in which a metal ion or ammonia ion is dissolved in water), an aqueous methanol solution, an aqueous ethanol solution, and the like.
  • a liquid capable of driving an actuator such as an IPMC (Ion polymer and metal compo site) such as an ionic liquid is used.
  • IPMC Interleukin polymer and metal compo site
  • the liquid retaining layer is bonded to the electrode.
  • the liquid retaining layer is bonded with an acrylic adhesive, an epoxy adhesive, or the like. Can be fixed.
  • a voltage is applied between at least two electrode portions.
  • the voltage can be applied by any method.
  • terminals are provided in the electrode section (for example, copper, gold, platinum, etc.), and both terminals are connected to a power source (for example, a constant voltage source that can be transformed). You may connect to a positive electrode and a negative electrode.
  • the wettability of the structure surface can be controlled.
  • the wettability will be described.
  • the wettability of a solid surface is distinguished by the contact angle with water, which is hydrophilic (contact angle 0 ° to less than 90 °), water repellency (contact angle 90 ° to less than 150 °), and super water repellency (contact angle 150). ° and above).
  • Super water repellency with a contact angle of 150 ° or more is realized for the first time by increasing the water repellency by adding fractal roughness to the solid surface.
  • FIG. 7 shows these two states.
  • (a) is a partial cross-sectional view schematically showing a chassis state and (b) is a Wenzel state.
  • the solid surface 92 is provided with a convex portion 92a and a concave portion 92b to indicate the roughness of the solid surface, indicating that the surface is given a certain water repellency.
  • gas enters the gap between the droplet 91 and the solid surface 92, but in FIG. 7 (b), the gas is in contact with no gap.
  • Kiyashi 'state and Wenzel' state may appear due to differences in conditions, and the transition from Kathy 'Wenzel' state may occur.
  • the Wenzel 'state has a larger contact angle hysteresis that makes it more difficult for the droplets to roll than the Cathy' state. This is thought to be because the roughness of the solid surface becomes an obstacle to droplet movement in the Wenzel state and the gas in the gap becomes a cushion in the Cathy state.
  • these states are referred to as contact angle hysteresis
  • the Wenzel 'state is a state where the contact angle hysteresis is large, and the Kathy' state is a state where the contact angle hysteresis is low.
  • the Wenzel 'state has a contact angle hysteresis of 90 ° or more and the Kiyashi' state is less than 90 °.
  • Contact angle hysteresis refers to tilting a sample with a fixed droplet. It is tilted and stopped when the droplet starts to slide, and the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle at that time is obtained.
  • the Hovered-State contact angle hysteresis range is the same as that of the Cathy 'state.
  • the state where the liquid has entered the surface gap with the droplet is called the “Binded State” (the range of the contact angle hysteresis is the same as the Wenzel state).
  • the transition from the Kiyashi 'state to the Wentzell' state already mentioned suggests that the transition from the Hobart 'state to the Bind' state can occur.
  • gas and liquid can be switched and inserted into the gap, reversible state transition between the hover 'state and bind' state can be controlled, and hydrophilicity and hydrophobicity can be switched.
  • sl, v are gas solid, solid liquid, liquid-gas unit area lv
  • ⁇ 0 'and 0 are the contact angles between the non-rough surface and the rough surface
  • r is the area ratio obtained by dividing the surface area that has become larger by the surface roughness by the apparent surface area. Furthermore, the wettability of a surface with air in the gap is described by the Cathy equation.
  • ⁇ is the contact angle on the surface without roughness, and is the area fraction of the solid at the interface with the liquid.
  • v ', v', v ' are gas solid, solid liquid, liquid-gas unit surfaces in the substrate sv si lv
  • r ′ is the surface area ratio between the substrate and the hydrophilic coat (layer).
  • a stationary liquid has a balance of three surface tensions: a gas solid, a solid liquid, and a liquid-gas. Moving the droplets requires work on a balanced surface tension. This suggests that work is needed to make the transition between the hover 'state and the bind' state.
  • the above-mentioned formula power work is considered to vary depending on the surface shape and material.
  • the liquid actuator of the present invention functions as a polymer pump that can be inserted by switching between water and air using an electrolyte. By this function, the liquid actuator is used between the states of the hover state and the pinned state. It is possible to control reversible transitions.
  • electrode portions are provided on both sides or one side of the electrolyte layer so as to be electrically separated (in the present invention, “electrically separated” means, for example, a resistance value in a dry state).
  • electrically separated means, for example, a resistance value in a dry state.
  • the resistance value between the electrode parts formed on the polymer electrolyte is several ⁇ force and several tens ⁇ per lcm width and lcm length in the dry state.
  • the resistance value is several or more under the above conditions, and preferably several M ⁇ or more under the above conditions, for example, a polymer electrolyte as naphthion (trade name, manufactured by DuPont), When platinum particles are reduced by chemical treatment into naphthion (trade name, manufactured by DuPont), a large number of platinum particles are present at a depth of about a micrometer of surface force (usually within approximately 20 micrometers). .) 0 Therefore, electrostatic Specific release between states, be manufactured by forming a groove in the surface forces tens of micrometers deep it can. For example, it is realized by burning only the surface using a laser. At this time, if the resistance value increases to the target value, the width may be several micrometers, for example. ) o When two or more electrode parts are provided and a voltage is applied to at least two of them, the arrangement of each electrode part is not particularly limited. Hereinafter, two preferred embodiments having different arrangements of electrode portions will be described in detail.
  • FIG. 1-1 An example of the liquid actuator according to this embodiment is the liquid actuator shown in FIG. 1-1.
  • the electrode portions 13a and 13b are disposed on both surfaces of the electrolyte layer.
  • a water-repellent layer 12 is provided on the outer surface of the electrode portion 13a, and the wettability, the amount of droplets, and the like of the droplets 11 on the surface are controlled.
  • a water retention layer 15 is provided on the outer surface of the electrode portion 13b, and a substrate 16 is provided on the outer side thereof.
  • the electrode portion 13a and the electrode portion 13b are connected to the DC power source 18 through a terminal 17!
  • the electrode portions 13a and 13b may not be provided on the entire surface of the electrolyte layer 14, but may be provided on a part of each surface so that both electrodes are shifted from the opposing positions.
  • the path of ions and solvent in the electrolyte layer 14 is interrupted. It is possible to increase the area.
  • the moving distance can be shortened according to the thickness of the electrolyte layer 14. Thereby, for example, a material having a low ion conductivity can be used as the electrolyte layer 14, and the material selection range of the electrolyte layer 14 can be expanded.
  • FIG. 1-2 An example of the liquid actuator according to this embodiment is the liquid actuator shown in FIG. 1-2.
  • the electrode portions 113a and 113b are arranged only on one side of the electrolyte layer 114, and these electrode portions are divided into a plurality (two in the illustrated liquid actuator) and electrically separated! RU
  • a water repellent layer 112 is provided on the outer surface of the electrode portion 113a, and the wettability, the amount of droplets, and the like of the droplet 111 on the surface are controlled.
  • a substrate 116 is provided on the opposite side of the electrode portion of the electrolyte layer 114 (at this time, the electrolyte layer 114 and the substrate).
  • the 116 may further be provided with an electrode layer (or electrode portion), a water retention layer, or the like).
  • the electrode part 113a and the electrode part 113b are connected to a DC power source 118 through a terminal 117.
  • two electrode portions (113a, 113b) can be formed on the same surface of the electrolyte layer 114, with one electrode serving as a cathode and the other electrode serving as a cathode.
  • the two electrode portions may be formed separately, or may be divided after one electrode layer is formed.
  • an electrode layer is disposed on one surface of an electrolyte layer and then, for example, shaved together with the surface of the electrolyte with a glass knife. Or you may divide
  • the number of electrodes is not particularly limited, and it is also preferable to configure a large number of electrodes according to the application (this is also the case with the liquid actuator of aspect (A)). It is preferable.
  • the movement of ions and solvents in the polymer electrolyte in the vertical direction is limited. That is, ions and solvents move mainly in the surface direction of the electrolyte layer (the longitudinal direction of the electrolyte layer 114 in FIG. 1-2). In general, the uneven distribution of the solvent in the thickness direction of the electrolyte layer is a factor that causes distortion and curvature of the electrolyte membrane. According to this aspect (B), the movement of ions and solvents in the thickness direction is reduced, the internal strain in the thickness direction generated in the electrolyte membrane is reduced, and the stress in the thickness direction generated in the device is reduced. Can do.
  • the movement of ions and solvent is not performed on one side of the electrolyte layer (in the liquid actuator shown in Fig. 1-2, the electrode 113a side of the electrolyte layer 114).
  • the amount of movement decreases on the other surface (the surface on the substrate 116 side of the electrolyte layer 114 in the liquid actuator shown in FIG. 1-2). This indicates that, for example, the liquid actuator shown in FIG. 1 can suppress the occurrence of strain on the lower surface of the electrolyte layer 114 (the surface in contact with the substrate 116).
  • the electrolyte layer is made thicker, it is possible to deform only the upper surface of the electrolyte layer 114 and perform a strain buffering function near the lower surface of the electrolyte layer 114.
  • the liquid actuator of this embodiment it is possible to reduce the separation factor at the interface between the electrolyte layer 114 and the device base material 116 (electrode layer, water retention layer, etc. as necessary). This increases the choice of electrolytes and improves device reliability when operating multiple times.
  • the electrolyte disposed below the surface of the water repellent layer Water or gas can be supplied to the gaps of the water repellent layer using a layer (polymer pump).
  • a layer polymer pump
  • the surface of the water-repellent layer can be transitioned from the hover 'state to the bind' state.
  • gas can be supplied to the gap.
  • the water supply by the polymer pump can be performed more effectively by bombarding the water-repellent layer with the water retaining layer force, and the gas supply can be performed by electrolyzing water at the interface between the water-repellent layer and the polymer pump layer. Can be done.
  • the present invention is not limited to this.
  • the polymer side chains are negatively charged and are constrained to the main chain. Therefore, the negative charge does not move even when an electric field is applied.
  • the positive charge ions move in response to the electric field without being constrained by the main chain, the water having affinity with the positive charge ions also moves as the positive charge ions move.
  • FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view schematically showing an embodiment of the liquid activator of the present invention.
  • Figure 2 (a) shows a state in which the electrode potential on the water repellent layer side is lower than that of the opposite electrode (hereinafter, unless otherwise specified, this state is referred to as a negative voltage), and this surface has improved wettability ( In the present invention, increasing wettability means changing in a direction in which the contact angle hysteresis increases, and it is preferable to change it to 90 ° or more. 2) Fig.
  • Fig. 2 (a) shows the state when a negative voltage is applied to the electrode portion 25a on the water repellent layer 22 side
  • Fig. 2 (b) shows the state when a positive voltage is applied to the electrode portion 25a. Is shown.
  • the surface of the water-repellent layer is given roughness, and it is preferable that the surface of the water-repellent layer has irregularities that show water repellency (preferably a cathy 'state or a hover' state) in the absence of liquid.
  • the convex portions 22a and concave portions 22b in the figure schematically show the surface roughness.
  • the electrode portions 25a and 25b are provided on the surfaces on both sides of the electrolyte layer 23 (note that a water retention layer and a substrate may be further provided, but these are not shown in FIG. 2).
  • the internal water 24 is Moves in the water repellent layer direction A in response to. Water 24 exudes to the surface through the water repellent layer 22 and draws the droplets 21 formed on the surface. In this way, the wettability of the water repellent layer surface can be enhanced.
  • hydrogen is generated from the water repellent layer 22 side to which a positive voltage is applied, and gas 27 (oxygen) is generated at the opposite electrode portion 25b to which a negative voltage is applied.
  • gas 26 hydrogen generated below the droplet 21 exerts the effect of pushing up the droplet 21 and can reduce the wettability of the surface of the water-repellent layer.
  • the contact angle hysteresis decreases, and it is preferable to change it to less than 90 ° .
  • This is also called hydrophobic surface formation, liquid fluidization, etc.
  • the part is volatilized in the external direction C, and the gas 27 generated at the opposite pole is volatilized in the external direction D (in the figure, the gas volatilized outside is also shown with a symbol for explanation. ) o
  • the state shown in FIG. 2A that is, the case where a negative voltage is applied to the electrode portion 25a on the water repellent layer 22 side and the voltage is increased will be described.
  • the wettability is determined by the balance between the effect of permeation and exudation of moisture (hydrophilic surface formation) and the effect promoted by the generated gas (hydrophobic surface formation), and varies depending on the material and liquid used. In many cases, it is preferable to enter the Hobbard 'state under the condition that the effect of gas generation is great.
  • the applied voltage is 1.229V to 1.229V as the voltage between electrodes. It is preferable to change the amount of water by osmosis or osmosis absorption on the surface of the water-repellent layer (preferably to make the surface of the structure hydrophilic),-1. Less than 229V or 1. More than 299V It is preferable to generate a gas with voltage to make the surface hydrophobic.
  • the amount of water in the power supply is varied between 4.5 V and 4.5 V (preferably with a hydrophilic surface).
  • hydrophobic surface less than 5V or greater than 4V, more preferably by changing the amount of water between 2V and 2V (preferably a hydrophilic surface) and less than 2V or 2V Hydrophobic surface formation with a voltage exceeding is preferred.
  • the movement of water due to the voltage applied to the electrode can be confirmed visually, for example, because the color of the surface of the composite material (IPMC) in which metal electrodes are arranged on both sides of the polymer electrolyte changes.
  • IPMC composite material
  • the IPMC may change its shape by bombing. For example, when it is used as an actuator, it may be attached to a glass plate to prevent the shape change.
  • the liquid to be controlled on the surface of the water-repellent layer is not limited to water, but any water-based medium (for example, water, water in which metal ions, ammonium ions, etc. are dissolved) is acceptable. ), Aqueous methanol solution, aqueous ethanol solution, cell culture medium, dispersion liquid and the like. Further, a stationary liquid, a liquid fluid, a droplet, or the like may be controlled without any particular restriction on the liquid state controlled on the surface of the water repellent layer. When forming and controlling droplets, the amount can be determined appropriately according to the purpose, but a small amount with a large proportion of the surface to the volume is desirable. For example, 11 or less is preferable, and lnl or less is more preferable.
  • the liquid activator of the present invention can be made larger or smaller as required.
  • FIG. 3 (a) schematically shows a state where two droplets are formed and fixed in a front view
  • FIG. 3 (b) shows it in a plan view
  • Fig. 3 (c) schematically shows the state after the droplets are in contact and mixed in a front view
  • Fig. 3 (d) shows it in a plan view.
  • the droplet control region is divided into three regions 32, 33, and 34, and the regions 32 and 34 at both ends are inclined at an angle of 5 to 10 °, for example.
  • the central region 33 is installed horizontally (at this time, the surface wettability of the regions 32 to 34 can be controlled by the liquid actuator of the present invention, and the surface of the controlled region is defined as a “wetability control surface”. )
  • Fig. 3 (a) or (b) shows the initial state, where wettability control surfaces 32 and 34 are in the bind state, and droplets 31a (for example, droplets composed of solution A) and 31b (for example, solution Each droplet (with B as a component) is formed and fixed.
  • the wettability control surface 33 is in the Hover state. From this state, the wettability can be changed in reverse, specifically, the voltage can be adjusted so that each wettability control surface is in the reverse state, and contact mixing can be performed.
  • the wettability control surfaces 32 and 34 arranged on both sides are set to the Hovard 'state and the central surface 33 is set to the' Binded 'state.
  • the droplets 31a and 31b are pushed up and fluidized by the gas 35 generated in the regions 3 2 and 34, the two droplets are brought into contact with the center, and mixed to form the droplet 31c (for example, a mixed solution of A and B (In Fig. 3 (c), the gas volatilized to the outside is schematically shown with a symbol for explanation).
  • the droplet 31a is a droplet containing the solution A as a component
  • the droplet 31b is a water droplet. These can be contact-mixed in the same manner as described above to form droplets 31c obtained by diluting solution A with water.
  • droplet mixing actuator and method of the present invention it is possible to mix droplets at any timing in a non-contact manner. For example, a drug can be added to the medium at any time. Further, even when the droplets are very small, mixing can be performed with high accuracy.
  • two or more liquids may be mixed using a single control surface or a plurality of control surfaces with forces that place three surfaces at different angles.
  • the tilt also encourages the movement of the droplet
  • the driving force may be obtained by other means (for example, change in wettability of the bottom surface, pressure, wind force).
  • droplets can be mixed by making a plurality of surfaces (regions) different in wettability (or droplet fluidity).
  • each surface area can be configured by combining different composite devices.
  • the electrodes can be divided and the application state can be changed in each region.
  • the wettability control is an actuator that controls the surface partially and independently to control the formation of liquid and droplets. More specifically, the wettability is independently controlled in each region.
  • the substrate 41 may be provided to improve the fixing and stability
  • the liquid actuator 42 may be installed in a part thereof
  • the other liquid actuator 43 may be installed in the other part.
  • the surface of one liquid actuator may be grooved by an LD processing method (YAG laser processing method) or the like to cut and insulate each electrode portion, thereby enabling independent control of each region.
  • FIG. 4 (a) is a cross-sectional view schematically showing a state immediately after the installation and before the liquid is aggregated.
  • the region 42 in which droplets are not required is in the hovered 'state, and the region 43 in which droplets are to be stored is in the bound' state, so that droplets can be selectively aggregated on the surface of the region 43.
  • FIG. 4 (b) even when the droplet 44 begins to aggregate in the unnecessary region 42, it can be eliminated by electrolysis.
  • the amount and distribution can be adjusted appropriately by electrolysis while monitoring the surface with video or the like.
  • the amount of droplets to be formed is preferably a very small amount with a large proportion of the surface to the volume. For example, 11 or less is preferable, and lnl or less is more preferable.
  • the liquid formation control actuator of the present invention it is possible to selectively form a target amount of droplets selectively at a target position.
  • the liquid used is the same as that described for the liquid controlled by the surface of the water-repellent layer, and preferably U and range are also synonymous.
  • U and range are also synonymous.
  • the droplets by forming droplets by controlling them in a non-contact state, for example, when discharging a plurality of droplets, they can be performed independently, so there is no cross-contamination and no pipette is used. Problems such as contamination caused by the pipette can be solved. Even if the droplet size is so small that it is difficult to achieve with the conventional method, the droplet forming actuator of the present invention can form the droplet with high accuracy and increase the control accuracy.
  • the liquid actuator of the present invention can be a liquid flow control actuator as shown in FIG. 5, for example.
  • a liquid circulation actuator 53 comprising a liquid actuator is installed in a cylindrical flow path to form a flow nore.
  • FIG. 5 (a) is a partial plan sectional view schematically showing a state in which bubbles 54a are generated in a cylindrical channel and the valve is closed. In this state, the wettability control surface of the actuator 53 is in the Hover state, so that the liquid before and after it is eliminated and the flow of the liquid can be blocked.
  • Fig. 5 (b) the wettability control surface of the actuator 53 is changed to the bind 'state and is schematically shown in cross section.
  • the pipe shape may be a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped shape, or a shape in which one surface is open, for example, a groove shape.
  • the partition wall 51 may be any material, for example, glass, resin, metal, etc., and the material may be grooved without using the partition wall. Further, the place where the liquid flow control actuator 53 is installed is not particularly limited, and can be appropriately determined depending on the shape of the flow path such as the bottom, the wall surface, and the ceiling.
  • the liquid 52 is the same as that described for the liquid controlled on the surface of the water-repellent layer, and the preferred range is also synonymous.
  • the diameter can be lmm or less.
  • a conventional flow nore is mechanically interrupted and its structure is complicated. It is costly and not suitable for fine detail. Especially when miniaturized, flow control may be hindered due to the surface tension with the channel wall, not just the problem of opening and closing the channel. According to the liquid flow control actuator of the present invention, these problems can be solved and used as an excellent flow valve.
  • FIG. 6 shows another example of the liquid flow control actuator, which is a slit channel.
  • FIG. 6 (a) is a partial plan sectional view schematically showing a state in which bubbles 64a are generated in the flow path and the valve is closed. In this state, the wettability control surface of the actuator 63 is set in the Hover state, and the liquid flow can be blocked.
  • FIG. 6 (b) a state in which the wettability control surface of the actuator 63 is changed to the bind 'state is schematically shown in a plan sectional view.
  • the liquid 62 flows out in the flow direction 65 together with the bubbles 64b.
  • the wall 61 is a base material such as a substrate, and the flow path is formed in a groove shape therein.
  • the ceiling of the channel frontward in the drawing) may be open or closed.
  • the present invention is not limited to the liquid actuator, the liquid movement control actuator, the liquid flow control actuator, the droplet mixing control actuator, the liquid formation control actuator, and the like described above.
  • the liquid and gas distribution above the water repellent layer The liquid distribution control actuator for controlling the liquid, the liquid distribution variable actuator, the liquid actuator for controlling the amount of the liquid, and the like are also preferred (in the present invention, the “actuator” is the operation of an object).
  • the liquid actuator described here is sometimes referred to as the “liquid system control device.”)
  • O Liquid distribution control specifically includes, for example, multiple droplets on a single substrate. It is preferable to arrange them in the desired distribution on the top, and to control the center coordinates and volume of each droplet independently.
  • the liquid actuator of the present invention for example, the amount of liquid, the distribution of the liquid, the wettability of the surface, the fluidity of the liquid, the formation process and state of the liquid droplet, the liquid circulation state, the liquid droplet mixing state, etc. While observing and checking the information at any time, the voltage can be adjusted based on the information and the conditions can be optimized to create a feedback system.
  • a vise table function that directly applies energy to the fluid itself (while maintaining two states having different wettability)
  • a variety of liquids can be used. Also, it can be suitably used for applications that require precision without drain interference contamination (when draining liquids, liquids with different path forces are mixed and liquids in different paths mix with each other). .
  • it has a reversible function (a function that can reversibly transition between two states with different wettability), enabling efficient analysis that eliminates the need to replace parts or change machining states during device operation. It is possible to work.
  • the liquid actuator of the present invention it is possible to reduce the size of various devices using the liquid actuator. At this time, the force with which the liquid becomes more difficult to control as the liquid becomes finer.
  • the liquid actuator of the present invention also solves the problem and enables fluidization and non-fluidization of fine droplets. Actuator). Therefore, it can be widely used in the field of micro chemicals, for example, micro TAS, micro reactor, fuel cell fuel supply, Lab—on—a—chip, biochip, healthcare chip, PDMS chip, biosensor, Bio— It can be suitably used as a control element such as MEMS (U.S. Patent Application Publication No. 2004Z0134854, International Publication No.WO02Z 066992 Pamphlet, U.S.
  • Fig. 1-1 platinum is applied to both sides of Nafion 1 17 (trade name, fluorine-containing ion exchange membrane, manufactured by DuPont) 40 mm long, 15 mm wide, and 178 m thick. It was given by chemical chemistry.
  • the resulting composite material was treated with a water repellent (FS—10 for 16 hours). 10: manufactured by Fluoro Technology Co., Ltd.), and then drying and applying the water repellent was repeated 5 times to form a porous water repellent layer.
  • FS water repellent
  • An acrylic nonwoven fabric with a length of 40 mm, a width of 15 mm, and a thickness of 100 m was used for the water retaining layer, and it was fixed to the surface of the electrode on one side using a double-sided tape (NW-R15S: manufactured by Ciba). Further, the water retaining layer was bonded and fixed on a glass plate having a length of 50 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 2 mm with an SU adhesive (manufactured by Koshi Co., Ltd.).
  • test body 1 Open a hole (2mm in diameter) in the exposed electrode surface on the water repellent layer side, glass plate and water retaining layer, connect the terminal to the exposed electrode surface, and connect the positive electrode of the power supply (PA10-3A: manufactured by Kenwood) and The liquid actuator (test body 1) of the present invention was connected to each of the negative electrodes.
  • test body 2 Three test specimens 1 prepared in Example 1 were combined, and the water-repellent layer surface of the central test specimen was placed horizontally according to the configuration in Fig. 3, and the water-repellent layer faces of the specimens at both ends were inclined 20 °.
  • the droplet mixing actuator (test body 2) of the present invention is produced. Apply voltage to the two water repellent layer sides at both ends so that the electrode is at 2 V for 2 minutes, and apply voltage to 4.5 V at the electrodes on both sides of the central water repellent layer for 2 minutes.
  • droplets of a 3% aqueous methanol solution are formed.
  • a drop of pure water (2 mm in diameter) is formed on the other inclined water repellent layer surface using a dropper. After that, change the applied voltage so that the voltage of the electrode on the water repellent layer with slopes at both ends is 4.5 V.
  • For the central specimen apply the voltage on the electrode on both sides of the water repellent layer to 2 V. Change the voltage.
  • the droplet then falls to the central specimen after 3 minutes, and the two droplets come into contact mixing.
  • the obtained methanol mixed solution becomes a uniform mixed solution.
  • a glass plate having a length of 50 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 2 mm was placed on and adhered to a glass plate having a length of 100 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 2 mm.
  • a hole with a diameter of 10 mm was made in the center of the upper glass plate.
  • the test body 1 was attached to the hole so as to be at the same height as the glass surface, and the liquid formation control actuator (test body 3) of the present invention was produced.
  • the obtained Specimen 3 was placed in a test chamber adjusted to a temperature of 25 ° C. and supersaturated, and a voltage was applied for 10 minutes so that the electrode on the surface of the water-repellent layer was 2 V. As a result, multiple droplets of 1 ⁇ 1 or less were dispersed and grown on the surface of the water repellent layer.
  • a liquid flow control actuator (test body 4) of the present invention was produced as follows. Platinum was chemically attached to both sides of Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont), 40 mm long, 115 mm wide, and 178 m thick, and applied to a thickness of about 3 m. After the resulting composite material was impregnated with a water repellent (FS-1010: manufactured by Fluoro Technology Co., Ltd.) for 16 hours, drying and application of the water repellent were repeated 5 times to obtain a porous water repellent layer. Formed.
  • FS-1010 manufactured by Fluoro Technology Co., Ltd.
  • the obtained liquid flow control actuator of the present invention was 40 mm long, 5 mm wide, Two acrylic resins with a thickness of 5 mm are arranged, and a liquid flow path is formed between the acrylic resins.
  • the voltage application unit is disposed in the liquid flow path.
  • a glass pipe is arranged at one end of the flow path perpendicularly to the naphthion (trade name, manufactured by DuPont) surface to create a liquid supply section to the flow path. Before supplying water to the liquid supply unit, apply a voltage of 4.5 V to the voltage application unit for 3 minutes.
  • a liquid actuator according to the present invention having an electrode portion arranged on one side as shown in FIG. 12 was produced as follows. Platinum was chemically applied to one side of Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont), 40 mm long, 115 mm wide, and 178 m thick, and applied to a thickness of about 3 m. Specifically, after separating the two water tanks with naphthion (trade name, manufactured by DuPont), the reducing solution was injected into only one water tank, and the other was used as an air tank, so that platinum was given only to one side. . At this time, platinum was applied to almost the entire surface of the naphthion (trade name, manufactured by DuPont) film.
  • Nafion 117 trade name, manufactured by DuPont
  • Part of the electrode part to which platinum was applied was cut into a straight line with a glass knife to form two electrically spaced rectangular electrode parts (at this time, only the vicinity of the electrode part was burned using a laser. It is also possible to form a separated electrode part.) O One of the electrode parts The size was 20 mm in length and 20 mm in width (hereinafter this electrode part is referred to as electrode part I). The size of the other electrode part was 20 mm in length and 5 mm in width (hereinafter this electrode part is referred to as electrode). Part II
  • a water repellent layer was provided on the upper surface of the electrode part I in the same manner as in Example 1.
  • a naphthion (trade name, manufactured by DuPont) film surface opposite to the electrode portion was attached and fixed on the substrate. Terminals were attached to electrode parts I and II, respectively, and a power source was connected in the same manner as in Example 1 (test body 5). By adjusting the voltage applied to the electrode parts I and II in the range of -14V to + 14V, the wettability of the water repellent layer surface of the electrode part I was reversibly changed and controlled.
  • the specimen 5 prepared above was inserted into a chamber with a high humidity environment (constant temperature (60 ° C) with a humidity of 95%), and the Peltier temperature device was placed under the specimen.
  • the temperature of the specimen was kept constant (25 ° C), and droplets were aggregated on the water-repellent layer, and the voltage applied to the electrode parts I and II varied between -14V and + 14V.
  • the droplet diameter on the surface of the water-repellent layer of the electrode part I was increased, or the size was maintained or decreased.
  • the size of the droplet can be maintained, and the size and shape can be changed reversibly and freely. That is, according to the liquid actuator of the present invention, the droplets are appropriately controlled without mixing thermal stimulation or impurities (for example, the droplets are enlarged, reduced or separated under high humidity). Etc.). Therefore, the liquid activator of the present invention can be suitably used in the field of chemical production and biotechnology, analysis of microdroplets, and chemical reactions using microdroplets (compound synthesis using microdroplets).

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Abstract

　液体を保持する電解質層（１４、１１４）の両側もしくは片側に電気的に離間した２つ以上の電極部（１３ａ、１３ｂ、１１３ａ、１１３ｂ）を設け、少なくとも１つの電極部外側表面上にポーラス構造を有する撥水層（１２、１１２）を設けた構造体とし、前記撥水層（１２、１１２）を設けた電極部（１３ａ、１１３ａ）を含む複数の電極部間に電圧を印加し、該印加電圧を調節して前記構造体表面の濡れ性を変化させる液体アクチュエータ。

Description

明 細 書
液体ァクチユエータ
技術分野
[0001] 本発明は液体ァクチユエータに関する。詳しくは、構造体表面の濡れ性を制御する 液体ァクチユエータに関し、該表面上に形成された液滴の流動性を制御する液体ァ クチユエータに関する。さらには、液体の混合、液体の流通、液体量の増減、液体の 形成に関し、それらを制御する液体ァクチユエータに関する。
背景技術
[0002] 近年、物質表面の親水性、疎水性を、用途や目的に応じて調節し制御する技術の 必要性が高まっている。例えば、ノィォチップの 1つであるセルアレイとよばれる分野 である。ここでは、ガラス基板上にマトリックス状の微小領域を配し、この微小領域に おいて細胞の培養および薬液のスクリーニングを行う。このとき、より小さなスペース で多くのスクリーニングが行えるよう、微小培地をアレイ化し、基材表面において親水 性部分と疎水性部分とを独立した微小領域にパターユングすることが必要となる。ま た、このバイオチップは、ゲノム解析、食品検査、テーラーメイド医療などへの応用も 進められている。そのため、細胞液の定着に限らず、様々なものに対応できる表面濡 れ性の制御が求められている。さらには、マイクロ TAS、マイクロリアクター、実験室 チップ（Lab— on— a— chip)などの研究も進んでおり、それら装置のマイクロ化にも 対応しうる多種多様な液体流動性の制御技術が求められている。
[0003] これまで、基板等の表面に親 ·疎水性を付与するためには、親水剤、疎水剤などを コーティングする方法が一般的に採用されてきた。し力しこの方法では、その性質を 動的に（事後的かつ可逆的に）変化させることはできな 、。その性質は基本的にコ一 ティング剤によるため、親水性及び疎水性の ヽずれかに制限されてしまう。
[0004] このような問題に対して、より機能的に基板などの表面濡れ性を制御することが試 みられている。例えば、光や電子を当てることで表面濡れ性を変化させることが提案 されている（特許文献 1〜3参照)。また、振動によって濡れ性を制御するものも提案 されて ヽる (特許文献 4参照)。 [0005] その他、非特許文献 1では液体に電圧をかけることで液体の表面張力を変化させる 方法が開示されている。しかしこの方法では、濡れ性を維持するために電圧を印加し つづける必要があり、液体の種類や溶解物によって出力が変動してしまう。また、複 数の液体を同一装置内で取り扱う場合に、余剰液体の排液路が共通になり相互の汚 染が懸念されるため採用できない。さらに非特許文献 2では温度によって高分子の 変形を起こし濡れ性を変化させるものが開示されている。
特許文献 1：特開平 11― 90217号公報
特許文献 2 :特開 2003— 155357号公報
特許文献 3 :特開 2000— 119551号公報
特許文献 4 :特開 2001— 347218号公報
非特許文献 1：ジャーナル ·ォブ ·マイクロエレクトロメ力-カル ·システム (Journal of
Microelectromecnanical System. ) , Vol. 12, No. 1, 200d
非特許文献 2 :平成 17年 4月 8日検索、インターネット < URL:http : ZZwww. cell seed, com/ tecnnology. htmレ
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明は、基板などの構造体表面の濡れ性を目的に応じて変化させ制御しうる液 体ァクチユエータを提供するものである。また本発明は、構造体表面上の液滴などの 液体の流動性を制御する液体ァクチユエータを提供するものである。さらにまた本発 明は、表面の濡れ性、液体流動性を制御し、液滴の形成、液体'液滴の混合、液体 量の増減、液体の流通を制御する液体ァクチユエータ、さらには微細な領域で、余計 な機構を必要とせずにそれらを独立に制御する液体ァクチユエータを提供するもの である。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明によれば、以下の手段が提供される：
(1) 液体を保持する電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間した 2つ以上の 電極部を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面上にポーラス構造を有する撥水層 を設けた構造体とし、前記撥水層を設けた電極部を含む複数の電極部間に電圧を 印加し、該印加電圧を調節して前記構造体表面の濡れ性を変化させることを特徴と する液体ァクチユエータ。
(2) 前記電解質層の両側にそれぞれ 1つ以上の電極部を設け、その両側の電極部 間に電圧を印加することを特徴とする（1)記載の液体ァクチユエータ。
(3) 前記電解質層の片側に互いに離間した 2つ以上の電極部を設け、その片側で 離間した電極部間に電圧を印加することを特徴とする（1)記載の液体ァクチユエータ
(4) 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体内部の液体を前記撥 水層表面に浸透滲出させて該構造体表面の濡れ性を高め、または前記撥水層表面 の液体を構造体内部に浸透吸収して該構造体表面の濡れ性を低下させることを特 徴とする（1)〜（3)の 、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(5) 前記電極部間に印加する電圧を調節して、該電極部周辺の液体を電気分解し 気体を発生させ、該気体を前記撥水層表面に誘導して前記構造体表面の濡れ性を 低下させることを特徴とする（1)〜 (4)のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(6) 前記構造体の撥水層の表面の濡れ性を可逆的に変化させることを特徴とする（ 1)〜（5)の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(7) 前記電極部間に印加する電圧を 1. 229〜1. 229Vの範囲で調節すること により前記撥水層表面の液体滲出量もしくは液体吸収量を増減させ、または 1. 2 29未満または 1. 229Vを超える電圧の範囲で調節することにより前記撥水層表面に 誘導する気体量を増減させて前記構造体表面の濡れ性を変化させることを特徴とす る（5)または（6)記載の液体ァクチユエータ。
(8) 前記電解質が、有機電解質、無機電解質、またはそれらを組み合わせた電解 質であることを特徴とする（1)〜（7)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(9) 前記電解質が、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホス フィン酸基、 4級アンモニゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、および 1級ァミノ基力 な る群から選ばれる少なくとも 1つの基を有する高分子電解質であることを特徴とする（ 1)〜（8)の 、ずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(10) 前記撥水層が、パラフィン系撥水剤、フッ素系撥水剤、およびシリコン系撥水 剤からなる群から選ばれる少なくとも 1つの撥水剤を含有することを特徴とする（1)〜 (9)の 、ずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(11) 前記電極部が金、白金、銅、カーボン、またはそれらを組み合わせて形成した 電極部であることを特徴とする（1)〜（10)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエ ータ。
(12) 前記電解質層を挟んで前記撥水層の反対側に保液層を設けたことを特徴と する（1)〜（11)の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(13) 前記撥水層表面上に液滴を形成したときの液滴接触角を 90〜150° の範囲 で変化させることを特徴とする（1)〜（12)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエ一 タ。
(14) (1)〜（13)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータを用いた液体流通制 御ァクチユエータであって、その撥水層を液体流路内側に向けて設け、前記電極部 間に印加する電圧の調節により、前記構造体表面の濡れ性を低下させて液体の侵 入を妨げ前記流路中の液体流通を遮断し、前記構造体表面の濡れ性を高めて液体 流通を開放することを特徴とする液体流通制御ァクチユエータ。
(15) 前記流路が筒状流路または溝形状流路であることを特徴とする（14)記載の 液体流通制御ァクチユエータ。
(16) (1)〜（13)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータの複数を独立して設 置し、前記撥水層表面の濡れ性を設置した領域ごとに独立に変化させて、または 前記液体ァクチユエータの前記電極部を複数の領域に分割し、該複数の電極部表 面上に撥水層を設け、該撥水層表面の濡れ性を分割した領域ごとに独立に変化さ せて、
所望の領域に目的量の液体を凝集させることを特徴とする液体形成制御ァクチュ ェ ~~タ。
(17) (16)記載の液体形成制御ァクチユエータの前記領域をそれぞれ独立して制 御可能に配置したことを特徴とする液体分布制御ァクチユエータ。
(18) (16)記載の液体形成制御ァクチユエータを基板上に所定の配列で設置した ことを特徴とする液体分布制御ァクチユエータ。 (19) (16)記載の液体形成制御ァクチユエータを用いて、所定の領域分布に液体 を形成することを特徴とする液体分布制御ァクチユエータ。
(20) 液体を保持した電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間した 2つ以上の 電極部を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面上にポーラス構造を有する撥水層 を設けた構造体とし、前記撥水層を設けた電極部を含む複数の電極部間に電圧を 印加し、該印加電圧を調節して前記構造体表面の液体量を変化させることを特徴と する液体ァクチユエータ。
(21) 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体内部の液体を前記撥 水層表面に浸透滲出させて該構造体表面上の液量を増加させ、または前記撥水層 表面上の液体を浸透吸収し該構造体表面上の液量を減少させることを特徴とする（2 0)記載の液体ァクチユエータ。
(22) 前記電極部間に印加する電圧を調節して、該電極部周辺の液体を電気分解 し気体として揮散させ該構造体表面上の液量を減少させることを特徴とする（20)ま たは（21)記載の液体ァクチユエータ。
(23) 前記構造体表面上の液量の増減を可逆的に行うことを特徴とする（20)〜（2 2)の 、ずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(24) 前記電解質が、有機電解質、無機電解質、またはそれらを組み合わせた電解 質であることを特徴とする（20)〜（23)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ
(25) 前記電解質が、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホス フィン酸基、 4級アンモニゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、および 1級ァミノ基力 な る群から選ばれる少なくとも 1つの基を有する高分子電解質であることを特徴とする（ 20)〜（24)の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(26) 前記撥水層が、パラフィン系撥水剤、フッ素系撥水剤、およびシリコン系撥水 剤からなる群から選ばれる少なくとも 1つの撥水剤を含有することを特徴とする（20) 〜（25)の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(27) 前記電極部が金、白金、銅、カーボン、またはそれらを組み合わせて形成した 電極部であることを特徴とする（20)〜（26)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエ ータ,
(28) 液体分を含む電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間した 2つ以上の 電極部を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面にポーラス構造を有する撥水層を 設けた構造体とし、前記撥水層を設けた電極部を含む複数の電極部間に電圧を印 加し、該印加電圧を調節して前記構造体表面上に形成した液体の流動性を変化さ せることを特徴とする液体ァクチユエータ。
(29) 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体中の液体分を前記撥 水層表面に浸透滲出して前記構造体表面上に形成した液体を非流動化し、前記撥 水層表面の液体分を浸透吸収して前記構造体表面上に形成した液体を流動化する ことを特徴とする（28)記載の液体ァクチユエータ。
(30) 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記電極部周辺の液体を電気分 解して発生した気体を前記撥水層表面に誘導し、該気体の圧力により前記構造体表 面上に形成した液体を押し上げ流動化することを特徴とする（28)または（29)記載 の液体ァクチユエータ。
(31) 前記液体流動性を可逆的に変化させることを特徴とする（28)〜（30)のいず れカ 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(32) 前記電解質が、有機電解質、無機電解質、またはそれらを組み合わせた電解 質であることを特徴とする（28)〜（31)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ
(33) 前記電解質が、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホス フィン酸基、 4級アンモニゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、および 1級ァミノ基力 な る群から選ばれる少なくとも 1つの基を有する高分子電解質であることを特徴とする（ 28)〜（32)の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(34) 前記撥水層が、パラフィン系撥水剤、フッ素系撥水剤、およびシリコン系撥水 剤からなる群から選ばれる少なくとも 1つの撥水剤を含有することを特徴とする（28) 〜（33)の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
(35) 前記電極部が金、白金、銅、カーボン、またはそれらを組み合わせて形成した 電極部であることを特徴とする（28)〜（34)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエ ータ。
(36) 前記撥水層表面に液滴を形成したときの液滴接触角を 90〜150° の範囲で 変化させて液体流動性を制御することを特徴とする（28)〜（35)の 、ずれか 1項に 記載の液体ァクチユエータ。
(37) (28)〜（36)のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータを用いた液滴混合 ァクチユエータであって、電圧の印加により前記構造体表面上で非流動化した複数 の液滴を、電圧の調節により流動化して、互いを接触混合させることを特徴とする液 滴混合ァクチユエータ。
(38) 前記液滴が装置外部から供給形成された液滴であることを特徴とする（37)記 載の液滴混合ァクチユエータ。
(39) 前記撥水層が透水性を有することを特徴とする（1)記載の液体ァクチユエ一 タ。
(40) 前記撥水層が透水性を有することを特徴とする（20)記載の液体ァクチユエ一 タ。
(41) 前記撥水層が透水性を有することを特徴とする（28)記載の液体ァクチユエ一 タ。
発明の効果
[0008] 本発明の液体ァクチユエータは、基板などの構造体表面の濡れ性を目的に応じて 変化させ可逆的に制御することを可能とする。また本発明の液体ァクチユエータは、 構造体表面上の液滴などを制御し、液体の流動化、非流動化を可逆的に制御するこ とを可能とする。さらにまた本発明の液体ァクチユエータは、表面の濡れ性、液滴流 動性を制御し、微細な領域で、高精度で、液滴の混合、液体の流通、液体量の増減 、液体'液滴の形成を可能とする。
[0009] 本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付の図面とともに考慮することにより、 下記の記載力 より明らかになるであろう。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1-1]図 1 1は、本発明の液体ァクチユエータの 1つの態様を模式的に示す断面 図である。 [図 1-2]図 1 2は、本発明の液体ァクチユエータの別の態様を模式的に示す断面図 である。
[図 2]図 2は、可逆遷移のメカニズムを概略的に説明する、本発明の液体ァクチユエ ータの 1つの態様を模式的に示す拡大部分断面図で、図 2 (a)は撥水層側に負電圧 を印カロしたときの状態を示し、図 2 (b)は撥水層側に正電圧を印加した状態を示す。
[図 3]図 3は、本発明の液滴混合ァクチユエータの 1つの態様を概略的に示す説明図 であり、図 3 (a)は 2つの液滴を形成固定した状態を模式的に示す正面図で、図 3 (b) はその平面図である。図 3 (c)は液滴を接触混合した後の状態を模式的に示す正面 図で、図 3 (d)はその平面図である。
[図 4]図 4は、本発明の液体形成制御ァクチユエータの 1つの態様を模式的に示す断 面図であり、図 4 (a)は液滴凝集前の状態、図 4 (b)は液滴が不要な領域に凝集した 状態、図 4 (c)は液滴を溜めたい領域に凝集した状態を示す。
[図 5]図 5は、本発明の液体流通制御ァクチユエータを筒状流路に設けた態様を模 式的に示す部分平断面図であり、図 5 (a)は流通を遮断した状態、図 5 (b)は流通を 開放した状態を示す。
[図 6]図 6は、本発明の液体流通制御ァクチユエータをスリット状流路に設けた態様を 模式的に示す部分平断面図であり、図 6 (a)は流通を遮断した状態、図 6 (b)は流通 を開放した状態を示す。
[図 7]図 7は、固体表面の濡れ性の 2つの状態を概略的に示し、図 7 (a)は隙間に気 体が入る状態 (キャシー 'ステート)を模式的に示す部分断面図であり、図 7 (b)は液 体が入る状態 (ウェンツェル 'ステート)を模式的に示す部分断面図である。
符号の説明
11 液体（液滴）
12 撥水層（多孔質層）
14 電解質層（高分子ポンプ層）
15 保液層 (保水層）
13a 電極部 (撥水層側）
13b 電極部 (保液層側） 16 基板
17 端子
18 電源
111 液体 (液滴）
112 撥水層（多孔質層）
114 電解質層（高分子ポンプ層）
113a 電極咅
113b 電極部
116 基板
117 端子
118 電源
21 液滴
22 撥水層
22a 撥水層表面の凸部 (表面粗さ）
22b 撥水層表面の凹部 (表面粗さ）
23 電解質層
24 液体分子 (水分子）
25a 電極部
25b 電極部
A 液体 (水）の流れの向き (撥水層方向)
B 液体 (水）の流れの向き (複合材方向）
26 気体分子 (水素分子）
27 気体分子 (酸素分子）
C、D 気体の揮散方向
30 液滴混合ァクチユエータ
31a 液滴
31b 液滴
31c 接触混合した液滴 32、 33、 34 濡れ性制御面
35 気体
40 液体形成制御ァクチユエータ
41 基板
42 液体ァクチユエータ (液滴を凝集させたくな ヽ位置）
43 液体ァクチユエータ (液滴を凝集させた ヽ位置）
44 液滴が不要な領域に凝集した液滴
46 液滴を留めた!/ヽ領域に凝集した液滴
51 隔壁 (筒状流路）
52 液体
53 液体流通制御ァクチユエータ（フローバルブ）
54a 泡（素子上に止められた泡）
54b 泡（流された泡）
55 液体の流れる方向
61 基材 (壁部）
62 液体
63 液体流通制御ァクチユエータ（フローバルブ）
64a 泡（素子上に止められた泡）
64b 泡（流された泡）
65 液体の流れる方向
91 液滴
92 固体表面
92a 表面の凸部（表面粗さ）
92b 表面の凹部 (表面粗さ）
発明を実施するための最良の形態
本発明の液体ァクチユエータは、電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間し た 2つ以上の電極部を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面上にポーラス構造を有 する撥水層を設けた構造体とし、前記電極部間に電圧を印加し、該印加電圧を調節 して前記構造体表面の濡れ性を変化させるものである。好ましくは、撥水層表面に構 造体内部の液体を浸透滲出させて、または構造体内部に液体を浸透吸収させて (本 発明において、浸透滲出とは内部の液体が浸透を通じて外表面にしみだすことをい い、浸透吸収とは外表面の液体が浸透を通じて内部にしみこむことをいう。）該撥水 層表面の親水性を制御するものであり、また、電極周辺の液体を電気分解し気体を 前記撥水層表面に発生させて該撥水層表面を疎水性表面化するものである。さらに また、電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体中の液体を前記撥水層表 面上に誘導して、誘導された液体と該撥水層表面上の液体を接触させることにより非 流動化し、または前記撥水層表面近傍に気体を発生させ上昇した気圧により液体を 押し上げ流動化することができる液体ァクチユエータである。以下、本発明について 詳しく説明する。
本発明の液体ァクチユエータに用いられる電解質は特に限定されず、陽イオン電 解質であっても、陰イオン電解質であってもよい。また、有機電解質、無機電解質、 それらを組み合わせた電解質などの 、ずれであってもよ 、。
有機電界質としては、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホ スフイン酸基、 4級アンモ-ゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、 1級ァミノ基などを有す る有機電解質が挙げられ、それらの基の 1つまたは複数を有する高分子電解質が好 ましい。なかでもスルホン基、カルボキシル基を有する高分子電解質が好ましぐ具 体的には例えば、パーフルォロスルホン膜 (例えば、ナフイオン（商品名）デュポン社 製)などが挙げられる。
無機電解質としては、例えば、リチウム、リン、硫黄などで構成された電解質、無機 プロトン導電性酸ィ匕物粒子（例えば、水和酸ィ匕アンチモン（Sb O ·ηΗ Ο) )力もなる
2 5 2
電解質、またはそれと無機マトリックス (例えば、酸ィ匕ジルコニウム (ZrO )、シリカ（Si
2
O )、チタ-ァ (TiO )、アルミナ (Al O ) )成分とからなる電解質などが挙げられる。
2 2 2 3
さらに無機系と有機系の混合電解質としては、例えば、有機電解質層と無機電解 質層との間を、イオン交換体力ゝらなるバインダで結合した有機無機混合電解質、多 環式芳香族スルホン酸でできた無定形のカーボン材料で芳香族炭化水素を熱濃硫 酸で処理した後炭化することによって得られる固体酸を用いた電解質などが挙げら れる。
[0014] また、特開 2004— 335231号公報、特開 2004— 281147号公報、特開 2004— 2 47286号公報、特開 2003— 190962号公報、特開 2003— 151580号公報、特開 2002— 329524号公報、 Solid State Ionics5 (1981) 663— 666、電気ィ匕学 65 , No. 11 (1997) 914— 919、特開 2001— 250580号公報、 Am. Cream. Soc , 84 [2]477— 79 (2001)、特公平 5— 48582号公報、特開平 4— 231346号公報 、第 26回固体ィォ-タス討論会講演要旨集（2000) 174—175、米国特許 602509 4号公報、米国特許 5314765号公報、特開 2002— 56857号公報、特開 2001— 3 57879号公報、特開 2000— 103899号公報、ワイ.ェム.リ（Y. M. Li)ら，ソリッド、 ステート'ィォ-タス（Solid State Ionics) , 134, 271— 278頁， 2000などに開示 されたものを用いてもよい。
電解質の大きさや形状に、特に制限はないが、平板状のときは、縦横 100mm程度 が好ましぐ厚さは 200 m以下が好ましい。平板状以外の形状とするときは、例えば 、円筒状、目的の形状にあわせた型取り形状のものなどを用いてもよい。
[0015] 本発明の液体ァクチユエータに用いられる電極材料は、必要な導電性が得られれ ばどのようなものでもよいが、金、白金、銅、その他の金属、カーボンなどを用いること ができ、それらを単独でまたは複数を組み合わせて用いてもょ 、。
電極部は電解質層の両側もしくは片側に設けられ、ポーラス構造であることが好ま しい。さらにその形態を詳しくいえば、例えば、撥水層に浸透滲出、浸透吸収させる 液体、またはそこに発生させる気体分子が通過可能であり、かつ電極としての導電性 を確保できる形態が好ましい。ただし、電極表面に十分に水が供給される場合は、必 ずしもポーラスである必要はない。そのため具体的な電極状態は、電解質膜の面形 状に沿って被覆された状態であっても、ポーラス状の薄層膜であってもよい。このよう な形態の得られる形成方法であれば、その方法はとくに限定されないが、化学メツキ 、金属薄膜の接着、スパッタリングなどの方法により形成することができる。また、ポー ラス加工は、金属薄膜作製時に行うことも、金属薄膜作製後に行うことも可能とされる 。さらに詳しく言えば、例えば、ポーラス力卩ェにはナノインプリント加工やマスキングカロ ェがある。 電極部の厚さに特に制限はないが、 10 m以下が好ましい。
[0016] 本発明の液体ァクチユエータにおいては、少なくとも 1つの電極部上に撥水層を設 ける。撥水層は、例えば、フッ素系、ノ ラフィン系、シリコン系などの物質を例えば粒 子状にして溶媒 (例えば、液状接着剤）中に分散させ、塗布、乾燥、固化することで 形成することができる。
撥水剤としては、例えば、パラフィン系撥水剤、フッ素 (榭脂)系撥水剤、シリコン (榭 脂)系撥水剤、ビニル重合 (榭脂)系撥水剤、ウレタン (榭脂)系撥水剤、ポリエチレン (榭脂)系撥水剤、アルキル尿素系撥水剤 (アルキルエチレン尿素型撥水剤などを含 む)、脂肪酸アミド (樹脂)系撥水剤、エポキシ (榭脂)系撥水剤、フ ノール (榭脂)系 撥水剤、プチラール (榭脂)系撥水剤、アクリル (榭脂)系撥水剤、金属錯塩系撥水剤 、ワックス系撥水剤（ワックスェマルジヨン型撥水剤、アクリル榭脂パラフィンワックス併 用型撥水剤、パラフィンワックス系ェマルジヨン型の撥水剤などを含む)を用いた撥水 剤などが挙げられ、なかでもフッ素系撥水剤、ノ フィン系撥水剤、またはシリコン系 撥水剤が好ましい。
撥水層の厚さに特に制限はないが、数； z mが好ましい。撥水層はその内部にポー ラス構造を有し、透水性を有するものであり、例えば直径 10〜： LOO mの微細な穴 が多数存在し、穴は各々独立して!/、ることが好ま 、。
[0017] 本発明の液体ァクチユエータにおいては、保液層を必要に応じて設けることができ 、撥水層を設けるのとは電解質層を挟んで反対側に設けることが好ましぐ撥水層と 反対側の電極部上に設けることがより好ま Uヽ。保液層は液体を保持し電解質層に 供給できればどのようなものでもよいが、例えば、ゲル、多孔質、不織布などが挙げら れる。不織布などの平板状のものを用いる場合、その大きさは電解質層と同様であり 、その好ましい範囲も同義である。
保液層に保持される液体は特に限定されず、水性媒体 (例えば、水、水に金属ィォ ン、アンモ-ゥムイオンなどを溶解したもの）、メタノール水溶液、エタノール水溶液な どが挙げられ、またイオン液体のように IPMC (Ion polymer and metal compo site)等のァクチユエータの駆動可能な液体が利用される。保液層は電極に接着され ていることが好ましぐ例えば、アクリル系接着剤、エポキシ系接着剤などにより接着 固定することができる。
[0018] 本発明の液体ァクチユエータにおいては、少なくとも 2つの電極部間に電圧が印加 される。電圧の印加はどのような方法によってもよいが、通常は、電極部に端子を設 け (例えば、銅、金、白金など）、両端子を電源 (例えば、変圧可能な定電圧源など） の正極、負極に接続してもよい。
[0019] 本発明の液体ァクチユエータによれば、構造体表面の濡れ性を制御することができ る。以下、この濡れ性について説明する。
一般に固体表面の濡れ性は水との接触角で区別され、親水性 (接触角 0° 以上 90 ° 未満)、撥水性 (接触角 90° 以上 150° 未満)、さらに超撥水性 (接触角 150° 以 上）に区別されている。接触角が 150° 以上の超撥水性は、固体表面にフラクタル形 状の粗さを付与するなどして撥水性を高めることで初めて実現される。
粗さを備えた固体表面の濡れ性は 2つの状態をとる。粗さにより生じる隙間に気体 が入る状態（キャシー 'ステート（Cassie— state) )と液体が入る状態（ウェンツェル' ステート（Wenzel— state) )とである。この 2つの状態を図 7に示す。図 7中（a)はキヤ シー 'ステートを、（b)はウェンツェル 'ステートを模式的に示す部分断面図である。固 体表面 92には凸部 92a、凹部 92bが設けられ、固体表面の粗さを示しており、表面 に一定の撥水性が付与されて 、ることを示して 、る。図 7 (a)では液滴 91と固体表面 92との隙間に気体が入りこんでいるが、図 7 (b)では隙間なく接触している。同一固 体表面においても条件の違いによってキヤシ一'ステートとウェンツェル 'ステートとの 双方が発現することがあり、またキャシー 'ステートからウェンツェル 'ステートへの遷 移が起こることちある。
さらにウェンツェル 'ステートではキャシー 'ステートに比較して液滴が転がり難ぐま た接触角ヒステリシスが大きくなる。これはウェンツェル 'ステートでは固体表面の粗さ が液滴移動の障害となりキャシー 'ステートでは隙間の気体がクッションになるためで あると考えられる。これらの状態を接触角ヒステリシスでいうと、ウェンツェル 'ステート は、接触角ヒステリシスが大きい状態、キャシー 'ステートは接触角ヒステリシスが低い 状態にあたる。例えば、ウェンツェル 'ステートは、接触角ヒステリシスが 90° 以上、キ ヤシ一'ステートは 90° 未満となる。接触角ヒステリシスとは液滴を固定した試料を傾 斜させ、液滴が滑り始める時に止め、そのときの前進接触角と後退接触角との差を求 めたものである。
[0020] 一方工業的に得られる撥水面の中には親水性基材に撥水コート処理したものも多 い。このような撥水面は前記のウェンツェル 'ステートやキャシー 'ステートとは基本的 に異なる。本発明においては、基材の親水性 Z疎水性によらず液滴との表面隙間に 気体が入り込んでいる状態をホバード 'ステート (Hovered— State ;接触角ヒステリ シスの範囲はキャシー 'ステートと同様である。）、液滴との表面隙間に液体が入り込 んでいる状態をビンド'ステート（Pinned— State ;接触角ヒステリシスの範囲はゥェン ツェル'ステートと同様である。）とよぶ。既に述べたキヤシ一'ステートからゥェンツエ ル 'ステートへの遷移はホバード 'ステートからビンド'ステートへの遷移がおこり得るこ とを示唆している。本発明の液体ァクチユエータでは、気体と液体とを切り替えて隙 間に挿入することができ、ホバード 'ステートとビンド'ステートとの可逆的状態遷移を 制御し、親水性、疎水性の切り替えができる。
[0021] 濡れ性を記述する式としては、ヤング (Young)の式、ウェンツェル (Wenzel)の式 、キャシー（Cassie)の式が知られている。
まず汚れのない平滑面における濡れ性はヤングの式で記述される。
cos Θ = ( ― V ) / V …数式 (1)
SV sl lv
0は接触角、 v
sv、 v
sl、 v は気体 固体、固体 液体、液体一気体の単位面積 lv
当たりの自由エネルギーである。また粗さのある表面の濡れ性は、ウェンツェルの式 で記述される。
cos Θ =r ( v ― V ) Z V =r cos Θ … 式 (2J
sv sl lv
0 'と 0とは粗さのない面と粗さのある面との接触角であり、 r は表面粗さにより大き くなつた表面積を見かけの表面積で割った面積比である。さらに隙間に空気が入つ た表面の濡れ性はキャシーの式で記述される。
cos Θ =f cos Θ + (1— f ) cos π
=f cos 0 + (l -f ) · · ·数式（3)
Θェは粗さのない面での接触角であり、 は液体との界面での固体の面積分率であ る。 [0022] 次に、上記と同様にしてホバード 'ステートとビンド'ステートの濡れ性を記述する式 を導く。基材が親水性であっても隙間に気体が十分にあるならば液体と親水性基材 は接触しない。そのためホバード 'ステートにはキャシーの式が適用される。ビンド'ス テートを記述する式は、 X 軸方向のエネルギー成分のバランスを考慮して導かれ、 親水性基材と撥水性コート (層）との組み合わせで表される。
cos Θ =r r 、 v — v ) / v
sv si lv
+r ( 1 r，）（v ' - v ' ) / v ' · · ·数式 (4)
sv si lv
v ' 、 v ' 、 v ' は基材における気体 固体、固体 液体、液体一気体の単位面 sv si lv
積当たりの自由エネルギーである。 r'は基材と親水性コート (層）の表面積比である。
[0023] 静止液体には気体 固体、固体 液体、液体一気体の 3つの表面張力が均衡し て作用して 、る。液滴を移動させるには均衡した表面張力に対する仕事が必要とな る。このことはホバード 'ステートとビンド'ステートとの遷移をさせるために仕事が必要 であることを示唆して 、る。また上述の式力 仕事量が表面の形状や素材によって異 なると考えられる。本発明の液体ァクチユエータは、電解質を用いて水と空気とを切り 替えて挿入することが可能な高分子ポンプとして機能するものであり、この機能により ホバード 'ステートとピンド.ステートとの状態間での可逆的遷移を制御することができ る。
[0024] 次に、本発明の液体ァクチユエ一タの態様についてさらに詳しく説明する。
本発明の液体ァクチユエータは、電解質層の両側もしくは片側に電極部を電気的 に離間して設けたものである (本発明において、「電気的に離間」とは、例えば乾燥状 態における抵抗値で定められる。通常、高分子電解質上に形成された電極部間の抵 抗値は乾燥状態で、幅 lcm長さ lcmあたり、数 Ω力 数十 Ωである。本発明におい て、電気的に離間とは、例えば該条件で数 以上の抵抗値となることをいい、該条 件で数 M Ω以上であることが好まし 、。例えば高分子電解質をナフイオン (商品名、 デュポン社製)として、化学的処理で白金粒子をナフイオン (商品名、デュポン社製） 内に還元して生成させる場合、白金粒子は表面力 数マイクロメートル程度の深さに 多数存在する（通常ほぼ 20マイクロメートル以内に収まる。 ) 0そのため、電気的な離 間状態は、表面力 数十マイクロメートルの深さの溝を形成することで作製することが できる。例えばレーザを用いて表面のみを焼ききることで実現される。このとき抵抗値 が目的の値にまで増大すればよぐ幅は例えば数マイクロメートルでよい。 ) o 2っ以 上の電極部を設け、その少なくとも 2つに電圧を印加するとき、各電極部の配置は特 に限定されない。以下、電極部の配置の異なる 2つの好ましい態様について詳しく説 明する。
[0025] (A)まず、電解質層の両側にそれぞれ 1つ以上の電極部を設け、前記電解質層の 両側の電極部に電圧を印加する態様について説明する。
この態様の液体ァクチユエータとして、例えば図 1—1に示した液体ァクチユエータ が挙げられる。図 1—1の態様においては、電極部 13a及び 13bが電解質層 14の両 面に配置されている。そして電極部 13aの外側表面には撥水層 12が設けられ、その 表面の液滴 11の濡れ性や液滴量などが制御される。電極部 13bの外側表面には保 水層 15が設けられ、さらにその外側に基板 16が設けられている。電極部 13a及び電 極部 13bは端子 17により直流電源 18に接続されて!ヽる。このとき電極部 13a及び 13 bを電解質層 14の全面に設けず、各面の一部に設け、両電極を対向する位置から ずらして配置してもよい。図 1—1に示した液体ァクチユエ一タの態様のように、 2つの 電極（13a、 13b)を電解質層 14の両面に設けることで、電解質層 14中のイオンや溶 媒の移動路の断面積を大きくとることが可能である。さらに、移動距離も電解質層 14 の厚さに応じて短くすることが可能である。それにより、例えばイオン伝導率の低い素 材を電解質層 14として利用することもでき、電解質層 14の材料選択の幅を広げるこ とがでさる。
[0026] (B)次に、電解質層の片側に電気的に離間した 2つ以上の電極部を少なくとも設け、 電解質層片側で離間した電極部間に電圧を印加する態様について説明する。
この態様の液体ァクチユエータとして、例えば図 1—2に示した液体ァクチユエータ が挙げられる。図 1—2の態様においては、電解質層 114の片面のみに電極部 113a 及び 113bを配置し、それらの電極部は複数（図示した液体ァクチユエータでは 2つ） に分割され電気的に離間されて！、る。そして電極部 113aの外側表面には撥水層 11 2が設けられ、その表面の液滴 111の濡れ性や液滴量などが制御される。電解質層 114の電極部と反対側には基板 116が設けられて 、る（このとき電解質層 114と基板 116の間にさらに電極層（もしくは電極部）、保水層などを設けてもよい)。電極部 11 3a及び電極部 113bは端子 117により直流電源 118に接続されている。このように、 電解質層 114の同一面上に 2つの電極部（113a、 113b)を形成し、一方の電極を陽 極とし、他方の電極を陰極とすることができる。
[0027] 2つの電極部は別々に形成しても、 1つの電極層を形成した後に分割してもよい。
具体的な分割の方法としては、電解質層の片側表面に電極層を配置した後、例えば 、ガラスナイフで電解質の表面とともに削る方法がある。あるいは、レーザ加工法や、 フォトマスク法を用いて、任意の形状に分割しもよい。電極数は特に限定されず、用 途に応じて多数構成することも好ま 、（このことは態様 (A)の液体ァクチユエータに おいても同様である。 ) oなお、電極と配線とは一体になつていることが好ましい。
[0028] この態様 (B)では、高分子電解質内のイオンや溶媒の縦方向（厚さ方向）の移動が 限定される。すなわち、イオンや溶媒は主に電解質層の面方向（図 1—2においては 電解質層 114の長手方向）に移動する。一般に、電解質層の厚さ方向の溶媒の不均 一分布が、電解質膜のひずみや湾曲を引き起こす要因となる。本態様 (B)によれば 、厚さ方向のイオンや溶媒の移動が低減し、電解質膜に生じる厚さ方向の内部ひず みを低減し、デバイスに生じる厚さ方向の応力を低減することができる。
さらに同一極に電圧を印加しつづけたときであっても、態様 (B)の場合にはイオン や溶媒の移動が電解質層の片面（図 1 - 2の液体ァクチユエータでは電解質層 114 の電極 113a側の面）に集中して、もう一方の面（図 1—2の液体ァクチユエータでは 電解質層 114の基板 116側の面)でそれらの移動量が減少する。このことは図 1― 2 の液体ァクチユエ一タで 、えば、電解質層 114の下面（基板 116と接する面）でのひ ずみの発生が抑えられることを示している。さらに、電解質層を厚くすれば、電解質 層 114の上面のみを変形させ、電解質層 114の下面付近にひずみのバッファ機能を 果たさせることも可能である。すなわち、本態様の液体ァクチユエータによれば、電解 質層 114とデバイス基材 116 (必要に応じて電極層、保水層など）との界面の剥離要 因を軽減することができる。これにより電解質の選択肢を増カロさせ、また複数回動作 時のデバイス信頼性を向上させることができる。
[0029] 本発明の液体ァクチユエータにおいては、撥水層表面の下部に配置された電解質 層（高分子ポンプ)を用いて撥水層の隙間に水または気体を供給することができる。 隙間に水を供給することで撥水層表面をホバード 'ステートからビンド'ステートへ遷 移させることができる。また隙間に気体を供給することで撥水層表面をビンド'ステート カもホバード 'ステートへ遷移させることができる。高分子ポンプによる水の供給は、 保水層力も撥水層への水のボンビングによってより効果的に行うことができ、気体の 供給は撥水層と高分子ポンプ層との界面における水の電気分解によって行うことが できる。
高分子ポンプ原理につ!、て、スルホン酸（— SO H)型の強酸性陽イオン交換榭脂
3
を例に挙げて説明する（ただし、本発明はこれに限られるものではない)。この電解質 の内部においてポリマー側鎖は負電荷を帯びておりまた主鎖に拘束されている。そ のため電界を印加しても負電荷は移動しな 、。一方主鎖に拘束されな 、正電荷ィォ ンは電界に応じて移動するため、正電荷イオンと親和している水も正電荷イオンの移 動に伴って移動する。
ここで、図 2によりその可逆遷移のメカニズムについて説明する。図 2は本発明の液 体ァクチユエ一タのー態様を模式的に示した拡大部分断面図である (ここでは、陽ィ オン交換榭脂を用いたものについて説明するが、本発明はこれに限られるものでは ない。また装置の各構成部材の大きさは図面により限定されるものではない)。図 2 (a )は撥水層側の電極電位が反対電極に対して低い状態を示し (以下、特に断らない 限り、この状態を負電圧という。）、この表面の濡れ性を高めている (本発明において 、濡れ性を高めるとは、接触角ヒステリシスが大きくなる方向に変化させることをいい、 90° 以上に変化させることが好ましい。またこのことを親水性表面化、液体の非流動 ィ匕などともいう。 ) o図 2 (a)では撥水層 22側の電極部 25aに負電圧を印加したときの 状態を示し、図 2 (b)は電極部 25aに正電圧を印加したときの状態を示している。撥 水層表面には粗さが付与されており、その隙間に液体がない状態で撥水性 (好ましく はキャシー 'ステートまたはホバード 'ステート）を示す程度の凸凹が付されていること が好ましい。図中の凸部 22a及び凹部 22bは表面粗さを模式的に示している。ここで 電極部 25a及び 25bは電解質層 23の両側の表面に設けられている（なお、保水層 や基板などをさらに設けてもよいが、図 2のものではこれらを図示してはいない。 ) o図 2 (a)に示すように、電解質層 23の撥水層 22側の電極部 25aに比較的低い負電圧 を印加すると（高い電圧を与える場合については後述する。）、内部の水 24が電圧に 応じて撥水層方向 Aに移動する。水 24は撥水層 22を通じその表面に滲出し表面に 形成された液滴 21を引き寄せる。このようにして撥水層表面の濡れ性を高めることが できる。
[0031] 一方図 2 (b)に示すように、撥水層側に正電圧を印加すると水 24は電解質層 23に 向力う方向 Bに浸透吸収していく。このため撥水層表面力 水分を奪いホバード 'ス テートとすることができ、液滴 21を流動化することができる。ここでさらに電圧を上げる と、高分子ポンプがボンビングすることの他に、電極部近傍にある水を電気分解する ことができる。水の標準電極電位は 1. 229Vであるため、極性を問わずそれ以上の 電圧をかけることにより、高分子ポンプと撥水層との界面で水の電気分解が生じる。こ れにより、正電圧を印加された撥水層 22側から水素が発生し、負電圧を印加された 反対の電極部 25bでは気体 27 (酸素）が発生する。液滴 21の下方で発生した気体 2 6 (水素）は液滴 21を押し上げる効果を発揮し、撥水層表面の濡れ性を低下させるこ とができる (本発明において濡れ性を低めるとは、接触角ヒステリシスが小さくなる方 向に変化させることをいい、 90° 未満に変化させることが好ましい。また、このことを、 疎水性表面化、液体の流動化などともいう。 ) oまた気体 26の一部は外部方向 Cに揮 散し、反対極で発生した気体 27は外部方向 Dに揮散する (なお図中、外部に揮散し た気体も説明上、模式的に符号をつけて示している。 ) o
上述のように、撥水層表面の濡れ性を変化させて、それに接する液体の（例えば、 液滴、液体流体など）の移動を制御することが可能であり、外部力を用いれば駆動制 御することも可能である。
[0032] ここで図 2 (a)の状態、つまり撥水層 22側の電極部 25aに負電圧を印加し、その電 圧を高めたときについて説明する。このとき濡れ性は、水分の浸透滲出による効果（ 親水性表面化）と発生する気体が促す効果 (疎水性表面化)のバランスによって決ま り、用いられる材料や液体によって異なる。多くの場合、気体発生の効果が大きぐこ の条件でホバード 'ステートとすることが好ましい。
[0033] 印加する電圧は、電気的ロスがなければ、電極間電圧で 1. 229V〜1. 229Vの 範囲で撥水層表面の浸透滲出もしくは浸透吸収による水分量を変化させることが好 ましく（これにより構造体表面を親水性表面化することが好ましく）、 - 1. 229V未満 または 1. 299Vを超える電圧で気体を発生させ疎水性表面化することが好ましい。 装置内の電気抵抗ロスを考慮する場合、採用する回路により異なるが、電源におけ る電圧を 4. 5V〜4. 5Vの間で水分量を変化させ (好ましくは、親水性表面化し）、 4. 5V未満または 4. 5Vを超える電圧で疎水性表面化することが好ましぐさらに 好ましくは、 2V〜2Vの間で水分量を変化させ (好ましくは、親水性表面化し）、 2V未満または 2Vを超える電圧で疎水性表面化することが好ましい。
電極に印加する電圧による水の移動は、例えば、高分子電解質の両面に金属電 極を配した複合材料 (IPMC)表面の色が変わることから目視でも確認することができ る。また前述のように、ボンビングにより IPMCは自らの形状を変化させる場合があり、 例えばァクチユエータとして利用する場合は、ガラス板に取り付けるなどして形状変 化を防止してもよい。
[0034] 上述の例では、電解液に関して水を例にとって説明したが、本発明はこれに限定さ るものではない。用いることができる液体は保液層に保持するものと同様であり、好ま しい範囲も同義である。
撥水層表面で制御する液体も水に限られるものではなぐ濡れ性の変化を与えられ るものであればよぐ水性媒体 (例えば、水、水に金属イオン、アンモニゥムイオンなど を溶解したもの）、メタノール水溶液、エタノール水溶液、細胞培養液、分散液などが 挙げられる。また撥水層表面で制御する液体の状態にとくに制限はなぐ静止した液 体、液体流体、液滴などを制御してもよい。液滴を形成して制御する場合、その量は 目的に応じて適宜決めることができるが、体積に対して表面が占める割合の大きい微 少量が望ましい。例えば、 1 1以下が好ましぐ lnl以下がより好ましい。
[0035] 本発明の液体ァクチユエータは必要に応じて、大きくすることも小さくすることも可能 であるが、例えば、ガラス基板サイズ（50mm X 20mm)あるいはマイクロケミカルの 分野で多く利用されるサイズ (約 5mm角）とすることができる。
[0036] さらに本発明の別の好ましい態様について説明する。本発明の液体ァクチユエータ を単独でまたは組みあせることにより、液滴混合ァクチユエータとすることができる。こ の好ましい態様の一例を図 3に示す。
図 3 (a)は 2つの液滴を形成固定した状態を模式的に正面図で示し、図 3 (b)はそ れを平面図で示している。図 3 (c)は液滴を接触混合した後の状態を模式的に正面 図で示し、図 3 (d)はそれを平面図で示している。図 3 (a)において、液滴制御領域は 、領域 32、領域 33、領域 34の 3つの領域に分けられ、両端の領域 32および 34は、 例えば 5〜10° の角度で傾けられている。ここで中央の領域 33は水平に設置されて いる（このとき領域 32〜34の表面濡れ性を本発明の液体ァクチユエータにより制御 することができ、制御された領域の表面を「濡れ性制御面」ということもある。 ) o
図 3 (a)または (b)は初期状態を示しており、濡れ性制御面 32および 34をビンド'ス テートとし、液滴 31a (例えば溶液 Aを成分とする液滴）および 31b (例えば溶液 Bを 成分とする液滴）がそれぞれ形成固定されている。濡れ性制御面 33はホバード 'ステ ートとしている。この状態から、濡れ性を逆に変化させ、具体的には電圧を調節して 各濡れ性制御面を逆の状態にして、接触混合させることができる。
接触混合するとき、例えば、図 3 (c)、図 3 (d)に示すように、両側に配置した濡れ性 制御面 32、 34をホバード 'ステートにし、中央の面 33をビンド'ステートにして、領域 3 2および 34上で発生する気体 35により液滴 31a、 31bを押し上げ流動化し、 2つの液 滴を中央に寄せ付け接触、混合した液滴 31c (例えば、 Aと Bの混合溶液を成分とす る液滴)とすることができる（図 3 (c)中、外部に揮散した気体を説明上、模式的に符 号をつけて示している）。
次に、別の好ましい態様を挙げると、例えば液滴 31aを溶液 Aを成分とする液滴とし 、液滴 31bを水滴とする。これらを上記と同様にして接触混合して、溶液 Aを水で希 釈した液滴 31cとすることができる。
上述の本発明の液滴混合ァクチユエータおよびその方法によれば、任意のタイミン グで、非接触で液滴を混合することができる。例えば培地に任意のタイミングで薬剤 を追加することが可能である。また、液滴が微小なときでも混合を精度よく行うことが できる。
この態様では、 3つの面を異なる角度に配置した力 1つの制御面でまたは複数の 制御面を用いて、 2以上の液体の混合を行ってもよい。また傾斜は、液滴の移動を促 すものであり、その他の手段 (例えば、底面部の濡れ性変化、圧力、風力）により駆動 力を得てもよい。
本発明の液滴混合ァクチユエータ 30においては、複数の表面 (領域)を濡れ性 (も しくは液滴流動性)の異なる状態にすることで液滴混合が可能となる。このために各 表面領域を異なる複合材装置を組み合わせて構成してもよぐ 1つの複合材装置に お!、て電極を分割して印加の状態を各領域で変化させてもょ 、。
[0037] 次に、本発明のさらに別の態様について説明する。図 4に示すように、濡れ性制御 表面を部分的に独立して制御し、液体、液滴形成の制御を行うァクチユエータである 。さらに詳しく説明すると、各領域で濡れ性を独立に制御するものである。例えば、必 要に応じて基板 41を設けて固定性、安定性を高め、その一部に液体ァクチユエータ 42を設置し、その他の部分に他の液体ァクチユエータ 43を設置したものとしてもよ ヽ 。その他、例えば、 1つの液体ァクチユエータの表面を LD加工法 (YAGレーザー加 工法)などにより溝加工して、各電極部を切断絶縁し、各領域の独立制御を可能とし てもよい。
上述のようにして製造した液体形成制御ァクチユエータ 40を、液滴が凝集しうる環 境下に設置させることで、目的の位置に、目的の液滴量を得ることができる。具体的 には例えば、高湿度下 (好ましくは過飽和状態）におくことが好ましい。図 4 (a)は設 置直後、液体の凝集前の状態を模式的に示す断面図である。液滴が不要の領域 42 はホバード 'ステートとし、液滴を溜めたい領域 43をビンド'ステートとすることで、領 域 43の表面に選択的に液滴を凝集形成することができる。このとき図 4 (b)に示すよ うに、液滴 44が不要の領域 42に凝集しはじめた場合でも、電気分解によってこれを 消失させることができる。一方、図 4 (c)のように液滴 46が濡れ性制御表面 43の上に 凝集した場合、その表面をビデオなどで監視しながら適宜電気分解で量や分布を調 節することができる。また、形成する液滴量は、体積に対して表面が占める割合の大 きい微少量が望ましい。例えば、 1 1以下が好ましぐ lnl以下がより好ましい。
[0038] 本発明の液体形成制御ァクチユエータによれば目的の位置に選択的に、し力も目 的の量の液滴を形成することが可能である。用いられる液体は、撥水層表面により制 御する液体で説明したものと同様であり、好ま U、範囲も同義である。 このようにして、液滴を非接触状態で制御して形成することにより、例えば複数の液 滴を排出とするときにも独立して行えるため相互汚染が生じず、またピペットなどを用 いないので、ピペットの介在で汚染が生じるなどの問題を解決することができる。また 従来の方法では困難なほど微小な液滴にっ 、ても、本発明の液滴形成ァクチユエ一 タによれば精度良く液滴形成を行うことができ、制御の精度を高めることができる。
[0039] 次に、本発明のさらにまた別の態様について説明する。
本発明の液体ァクチユエータは、例えば図 5に示すような液体流通制御ァクチユエ ータとすることができる。図 5おいては、液体ァクチユエータよりなる液体流通ァクチュ エータ 53を筒状流路に設置し、フローノ レブとしたものである。図 5 (a)は筒状に構 成した流路に泡 54aを生じさせバルブを締めた状態を模式的に示す部分平断面図 である。この状態でァクチユエータ 53の濡れ性制御面はホバード 'ステートにされて おり、その前後の液体は排除され、液体の流通を遮断することができる。図 5 (b)では ァクチユエータ 53の濡れ性制御面をビンド'ステートに変えた状態を模式的に断面図 により示している。ここでは液体が該表面に引き込まれ、泡とパイプの結合が弱まり、 泡 54bが流通方向 55に流れ出している。これによりバルブを開放させるものである。 パイプ形状は、円筒、直方体形状のほか、一面が開放された形状、例えば溝形状で も良い。
[0040] 隔壁 51はどのようなものでもよぐ例えば、ガラス、榭脂、金属などがあり、隔壁とし なくてもその材料に溝カ卩ェしたものでょ ヽ。また液体流通制御ァクチユエータ 53を設 置する場所は特に限定されず、底部、壁面部、天井部など流路の形状などによって 適宜定めることができる。
液体 52は、撥水層表面で制御する液体で説明したものと同様であり、好ましい範 囲も同義である。流路のサイズに特に制限はないが、大きくすることも小さくすることも 可能であり、例えば、ガラス基板に形成が容易なサイズ直径 10mm以下、あるいはマ イク口ケミカルの分野で多く利用されるサイズ直径 lmm以下とすることができる。上述 のァクチユエータおよび方法を用いることにより、少量の部品点数でバルブを構成す ることがでさる。
従来のフローノ レブは機械的に流通を遮断するものであり、その構造は複雑であり コストの力かるものであり、微細ィ匕にも適していない。とくに微細化すると、流路の開閉 の問題だけではなぐ流路壁との表面張力により流通の制御に支障を生じる場合が ある。本発明の液体流通制御ァクチユエータによれば、これらの問題を解決し、優れ たフローバルブとして用いることができる。
[0041] 液体流通制御ァクチユエータの別の例として、スリット流路としたものを図 6に示す。
図 6 (a)は流路に泡 64aを生じさせバルブを締めた状態を模式的に示す部分平断面 図である。この状態でァクチユエータ 63の濡れ性制御面はホバード 'ステートにされ、 液体の流通を遮断することができる。図 6 (b)ではァクチユエータ 63の濡れ性制御面 をビンド'ステートに変えた状態を模式的に平断面図により示している。ここでは液体 62が泡 64bとともに流通方向 65に流れ出している。この装置例では、壁部 61は基板 などの基材であり、そこに流路が溝状に形成されている。流路の天井部（図面手前方 向）は開放されていても、閉じられていてもよい。
[0042] 本発明は、上述した液体ァクチユエータ、液体移動制御ァクチユエータ、液体流通 制御ァクチユエータ、液滴混合制御ァクチユエータ、液体形成制御ァクチユエータな どに限られず、例えば、撥水層上部の液体と気体の分布を制御する液体分布制御ァ クチユエータ、液体分布可変ァクチユエータ、その液体の量を制御する液体ァクチュ エータなどの態様も好まし 、ものとして挙げられる（本発明にお 、て「ァクチユエータ」 とは物の動作や制御を行う装置を!、 、、ここで述べた液体ァクチユエータを「液体制 御装置」ということもある。 ) o液体分布の制御とは具体的には例えば、複数の液滴を 一つの基板上に目的の分布で配置することであり、またその各々液滴の中心座標や 量を独立して制御することが好ま 、。そしてこれはレーザ力卩ェゃ印刷技術を用いて 液体ァクチユエータの電極の形状を適切に配置することで実現される。また本発明の 液体ァクチユエータによれば、例えば、液量、液体の分布、表面の濡れ性、液体の流 動性、液滴の形成過程およびその状態、液体の流通状態、液滴の混合状態などの 情報を随時観察確認しながら、その情報に基づき電圧を調節し、条件を最適化する 、フィードバック 'システムとすることができ。
[0043] 本発明の液体ァクチユエータによれば、流体自体に直接エネルギーを付与するの でなぐバイステーブル機能 (異なる濡れ性を持つ 2つの状態を維持する間にエネル ギーを必要としない機能)を利用するもので、多様な液体を用いることができる。また 、ドレイン干渉の汚染 (液体を排出する際に、異なる経路力 の排液が混ざり、異なる 経路の液体同士で汚染しあうこと)もなく精度の要求される用途にも好適に用いること ができる。さらには、リバーシブル機能 (異なる濡れ性を持つ 2つの状態を可逆的に 遷移できる機能)を有し、装置の操作において、部品の交換、加工状態の変更など の必要がなぐ効率的な分析などの作業を可能とするものである。
[0044] 本発明の液体ァクチユエータによれば、それを用いた各種デバイスの小型化も可 能である。このとき液体は微細化するほどその制御が困難となる力 本発明の液体ァ クチユエータはその問題も解決し、微細液滴の流動化、非流動化を可能とし、優れた ァクチユエータ (例えば、高分子ァクチユエータ）とすることができる。そのためマイクロ ケミカルの分野に広く用いることができ、例えば、マイクロ TAS、マイクロリアクター、 燃料電池の燃料供給、 Lab— on— a— chip、バイオチップ、ヘルスケアチップ、 PD MSチップ、バイオセンサ、 Bio— MEMSなどの制御素子として好適に利用すること ができる (米国特許出願公開第 2004Z0134854号明細書、国際公開第 WO02Z 066992号パンフレット、米国特許出願公開第 2005Z0064423号明細書、国際公 開第 WO03Z057875号パンフレット、アール.ジエフリ（R. JEFFREY)ら，ネィチヤ ~·マテリアルス（Nature materials) , Vol. 4, 2005年 1月， 98— 102頁、ェム. ジー.ポラック（M. G. Pollak)ら，アプライド 'フイジタス 'レターズ (Applied physic s letters) , Vol. 77, No. 11, 2000年 9月， 1725— 1726頁、ティ.ビー.ジョー ンズ（T. B. Jones)ら，ジャーナル'ォブ 'ァプライド'フイジタス（Journal of applie d physics) , Vol. 89, No. 2, 2001年 1月， 1441— 1445頁等参照。；)。
実施例
[0045] 以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらにより限 定されるものではない。
(実施例 1)
図 1—1に示した構成に従って、縦 40mm、横 15mm、厚さ 178 mのナフイオン 1 17 (商品名、含フッ素イオン交換膜、デュポン社製)の両面に白金を厚さ 3 μ m程度 になるように化学めつきして付与した。得られた複合材料を 16時間撥水剤 (FS— 10 10 :フロロテクノロジ一社製）に含浸させた後、同撥水剤の乾燥と塗布とを 5回繰り返 し、多孔質の撥水層を形成した。
保水層には、縦 40mm、横 15mm、厚さ 100 mのアクリル製の不織布を利用し、 両面テープ (NW—R15S： -チバン社製)を用いて片側の電極部表面に固定した。 さらに保水層を、縦 50mm、横 20mm、厚さ 2mmのガラス板上に SU接着剤（コ -シ 社製）により接着固定した。撥水層側の露出した電極部面、ならびにガラス板および 保水層に穴（直径 2mm)を開け、露出した電極部面に端子を接続し、電源 (PA10— 3A：ケンウッド社製)の正極および負極にそれぞれ接続して本発明の液体ァクチユエ ータ (試験体 1)とした。
[0046] 液滴がない状態の試験体 1において、撥水層側の電極の電圧が 2Vとなるよう電 圧を 30秒間印加した。その後、撥水層表面にスポイトを用いて純水の液滴を形成し た (液滴のサイズは直径約 2mmであった)。この液滴の乗った面を傾けて、液滴が転 落する直前の前進角と後退角とを測定した。測定はビデオによる撮影を行った。この 液滴の接触角ヒステリシスを測定した。結果、この液滴の接触角ヒステリシスは 90° 以上であった。
[0047] 液滴がない状態の試験体 1において、撥水層側の電極の電圧が 4. 5Vとなるよう 電圧を 3分間印加した。その後、撥水層表面にスポイトを用いて、試験例 1と同じ溶液 を用いて液滴を形成した。液滴のサイズは直径約 2mmであった。この液滴の接触角 ヒステリシスは 10° 以下であった。
[0048] 液滴がない状態の試験体 1において、撥水層側の電極の電圧が 2Vとなるよう電 圧を 30秒間印加した。その後、撥水層表面にスポイトを用いて、試験例 1と同じ溶液 を用いて液滴（直径約 2mm)を形成した。この液滴の接触角ヒステリシスは 90° 以上 であった。その後、撥水層側の電圧が 4. 5Vとなるよう印加する電圧を変更した。する と液滴と撥水層の界面から気体の発生することが確認され、十分な時間（1分間)経 過後の液滴の接触角ヒステリシスは 10° 以下になった。
この状態で撥水層表面に約 15° の傾きを与えると、液滴が転落した。接触角ヒステ リシスの変化と転落とから、電圧の変化に応じてビンド'ステートからホバード 'ステート へと遷移したことが分かる。 [0049] 液滴がな 、状態の試験体 1にお 、て、撥水層側の電極の電圧が 4. 5Vとなるよう電 圧を 3分間印力!]した。その後、撥水層表面にスポイトを用いて、試験例 1と同じ溶液を 用いて液滴（直径約 2mm)を形成した。この液滴の接触角ヒステリシスは 10° 以下で あった。その後、撥水層側の電圧が 2Vとなるよう印加する電圧を変更した。十分な 時間（1分間）経過後の液滴の接触角ヒステリシスは 90° 以上になった。
接触角ヒステリシスの変化から、電圧の変化に応じてホバード 'ステートからビンド' ステートへと遷移したことが分かる。
[0050] (実施例 2)
実施例 1で作製した試験体 1を 3つ組み合わせ、図 3の構成に従って、中央の試験 体の撥水層面を水平に配置し、その両端の試験体の撥水層面は 20° の傾きを与え て本発明の液滴混合ァクチユエータ (試験体 2)を作製する。両端の 2つの撥水層面 側について、電極が 2Vとなるように電圧を 2分間印加し、中央の撥水層両側の電極 については、 4. 5Vになるよう電圧を 2分間印加する。次いで、傾けた撥水層面の一 方にスポイトを用いて、 3%メタノール水溶液の液滴（直径 2mm)を形成する。さらに 他方の傾けた撥水層面にスポイトを用いて純水の液滴（直径 2mm)を形成する。 その後、両端の傾きのある撥水層面の電極の電圧が 4. 5Vになるように印加電圧を 変え、中央の試験体については、その撥水層両面の電極の電圧が 2Vになるように 印加電圧を変える。すると液滴は 3分後に中央の試験体に転落し、 2つの液滴は接 触混合する。得られるメタノール混合溶液は均一な混合液となる。
[0051] (実施例 3)
縦 100mm、横 100mm、厚さ 2mmのガラス板上に、縦 50mm、横 20mm、厚さ 2 mmのガラス板を配置し接着した。上面のガラス板の中央部に直径 10mmの穴を開 けた。この穴の部分に試験体 1をガラス面と同じ高さとなるように取り付けて、本発明 の液体形成制御ァクチユエータ (試験体 3)を作製した。
得られた試験体 3を、温度 25°C、過飽和に調整された試験室内にいれ、撥水層表 面側の電極が 2Vになるよう 10分間電圧を印加した。すると撥水層表面に 1 μ 1以下 の複数の液滴が分散して成長した。
その後、撥水層両側の電圧が 4. 5Vになるように電圧を変え、 2分間電圧を印加し た。すると撥水層表面の液滴は無くなった。
[0052] (実施例 4)
以下のようにして本発明の液体流通制御ァクチユエータ (試験体 4)を作製した。縦 40mm,横 115mm、厚さ 178 mのナフイオン 117 (商品名、デュポン社製）の両面 に白金を厚さ 3 m程度になるように化学めつきして付与した。得られた複合材料を 1 6時間撥水剤 (FS— 1010 :フロロテクノロジ一社製）に含浸させた後、同撥水剤の乾 燥と塗布とを 5回繰り返し、多孔質の撥水層を形成した。レーザ加工によって、表面 電極の一部を消失させ、複合材料の中心部に直径 10mmの電圧印加部を作製した さらに、得られた本発明の液体流通制御ァクチユエータの上面に縦 40mm、横 5m m、厚さ 5mmのアクリル榭脂を二つ配置して、アクリル榭脂間に液体の流路を形成 する。電圧印加部は液体の流路内に配置される。またこの流路の一端にナフイオン（ 商品名、デュポン社製)面に対して垂直にガラスパイプを配置し、流路への液体供給 部を作成する。液体供給部に水を供給する前に、電圧印加部に 4. 5Vの電圧を 3 分間印加する。この状態で液体供給部から水を供給する。水は液体供給部からァク リル榭脂間の流路に侵入し、電圧印加部において滞留する。ガラスノイブには高さ 3 cm程度の水が溜まる。その後、電圧印加部の電圧を 2Vに変える。すると約 3分後に 撥水層上部の泡は押し流される。
[0053] (実施例 5)
以下のようにして、図 1 2に示すような、電極部を片側に配置した本発明の液体ァ クチユエータを作製した。縦 40mm、横 115mm、厚さ 178 mのナフイオン 117 (商 品名、デュポン社製)の片面に白金を厚さ 3 m程度になるように化学めつきして付 与した。具体的には、 2つの水槽をナフイオン (商品名、デュポン社製)で分離した後 、一方の水槽のみに還元液を注入し、他方を空気槽とすることで、片面のみに白金 を付与した。このとき白金はナフイオン (商品名、デュポン社製)膜のほぼ全面に付与 されていた。白金を付与した電極部について、その一部をガラスナイフを用いて直線 状に削り、 2つの電気的に離間した矩形の電極部を形成した (このとき、レーザを用い て電極部近傍のみを焼ききり、離間した電極部を形成してもよい。 ) o 1方の電極部の 大きさは、縦 20mm、横 20mmであった（以下、この電極部を電極部 Iという。）他方の 電極部の大きさは、縦 20mm、横 5mmであった（以下、この電極部を電極部 IIという
。）。
[0054] 電極部 Iの上面に実施例 1と同様にして撥水層を設けた。該電極部とは反対側のナ フイオン (商品名、デュポン社製)膜面を基板上に取り付け固定した。電極部 I及び II にそれぞれ端子を取り付け、実施例 1と同様にして電源を接続した (試験体 5)。電極 部 I、 IIに印加する電圧を- 14V〜 + 14Vの範囲で変化させて調節することにより、電 極部 Iの撥水層表面の濡れ性を可逆的に変化させて制御した。
[0055] 次 、で、上記で作製した試験体 5を、高加湿環境 (湿度 95%の一定温度（60°C)の チャンバ一に挿入して、かつペルチェ温度装置を試験体の下に配置して試験体の温 度を一定温度（25°C)にして、撥水層上に液滴を凝集させた。電極部 I、 IIに印加す る電圧を- 14V〜 + 14Vの範囲で変化させて調節することにより、電極部 Iの撥水層 表面の液滴径を大きくしたり、そのままの大きさを維持したり、小さくしたりした。
産業上の利用の可能性
[0056] 本発明の液体ァクチユエータによれば、液滴の大きさを維持し、また可逆的にかつ 自由にその大きさや形状を変化させることなどができる。すなわち、本発明の液体ァ クチユエータによれば、熱的な刺激や不純物を混入せずに、液滴を適切に制御（例 えば、高湿度下で液滴を大きくしたり、小さくしたり、切り分けるなど)することが可能で ある。そのため本発明の液体ァクチユエータは、薬品製造やバイオテクノロジー分野 、て、微小液滴の分析や微小液滴を用いた化学反応 (微小液滴による化合物 合成）に好適に用いることができる。
[0057] 本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明 を説明のどの細部においても限定しょうとするものではなぐ添付の請求の範囲に示 した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。

Claims

請求の範囲
[1] 液体を保持する電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間した 2つ以上の電極 部を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面上にポーラス構造を有する撥水層を設け た構造体とし、前記撥水層を設けた電極部を含む複数の電極部間に電圧を印加し、 該印加電圧を調節して前記構造体表面の濡れ性を変化させることを特徴とする液体 ァクチユエータ。
[2] 前記電解質層の両側にそれぞれ 1つ以上の電極部を設け、その両側の電極部間 に電圧を印加することを特徴とする請求項 1記載の液体ァクチユエータ。
[3] 前記電解質層の片側に互いに離間した 2つ以上の電極部を設け、その片側で離 間した電極部間に電圧を印加することを特徴とする請求項 1記載の液体ァクチユエ ータ。
[4] 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体内部の液体を前記撥水層 表面に浸透滲出させて該構造体表面の濡れ性を高め、または前記撥水層表面の液 体を構造体内部に浸透吸収して該構造体表面の濡れ性を低下させることを特徴とす る請求項 1〜3のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[5] 前記電極部間に印加する電圧を調節して、該電極部周辺の液体を電気分解し気 体を発生させ、該気体を前記撥水層表面に誘導して前記構造体表面の濡れ性を低 下させることを特徴とする請求項 1〜4のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[6] 前記構造体の撥水層の表面の濡れ性を可逆的に変化させることを特徴とする請求 項 1〜5のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[7] 前記電極部間に印加する電圧を— 1. 229〜1. 229Vの範囲で調節することにより 前記撥水層表面の液体滲出量もしくは液体吸収量を増減させ、または 1. 229未 満または 1. 229Vを超える電圧の範囲で調節することにより前記撥水層表面に誘導 する気体量を増減させて前記構造体表面の濡れ性を変化させることを特徴とする請 求項 5または 6記載の液体ァクチユエータ。
[8] 前記電解質が、有機電解質、無機電解質、またはそれらを組み合わせた電解質で あることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[9] 前記電解質が、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホスフィ ン酸基、 4級アンモニゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、および 1級ァミノ基力 なる 群から選ばれる少なくとも 1つの基を有する高分子電解質であることを特徴とする請 求項 1〜8のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[10] 前記撥水層が、パラフィン系撥水剤、フッ素系撥水剤、およびシリコン系撥水剤力も なる群から選ばれる少なくとも 1つの撥水剤を含有することを特徴とする請求項 1〜9 の!ヽずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[11] 前記電極部が金、白金、銅、カーボン、またはそれらを組み合わせて形成した電極 部であることを特徴とする請求項 1〜10のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ
[12] 前記電解質層を挟んで前記撥水層の反対側に保液層を設けたことを特徴とする請 求項 1〜： L 1のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[13] 前記撥水層表面上に液滴を形成したときの液滴接触角を 90〜150° の範囲で変 化させることを特徴とする請求項 1〜12のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ
[14] 請求項 1〜13のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータを用いた液体流通制御 ァクチユエータであって、その撥水層を液体流路内側に向けて設け、前記電極部間 に印加する電圧の調節により、前記構造体表面の濡れ性を低下させて液体の侵入 を妨げ前記流路中の液体流通を遮断し、前記構造体表面の濡れ性を高めて液体流 通を開放することを特徴とする液体流通制御ァクチユエータ。
[15] 前記流路が筒状流路または溝形状流路であることを特徴とする請求項 14記載の液 体流通制御ァクチユエータ。
[16] 請求項 1〜13のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータの複数を独立して設置 し、前記構造体表面の濡れ性を設置した領域ごとに独立に変化させて、または 前記液体ァクチユエータの前記電極部を複数の領域に分割し、該複数の電極部表 面上に撥水層を設け、該撥水層表面の濡れ性を分割した領域ごとに独立に変化さ せて、
所望の領域に目的量の液体を凝集させることを特徴とする液体形成制御ァクチュ ェ ~~タ。
[17] 請求項 16記載の液体形成制ァクチユエータの前記領域をそれぞれ独立して制御 可能に配置したことを特徴とする液体分布制御ァクチユエータ。
[18] 請求項 16記載の液体形成制御ァクチユエータを基板上に所定の配列で設置した ことを特徴とする液体分布制御ァクチユエータ。
[19] 請求項 16記載の液体形成制御ァクチユエータを用いて、所定の領域分布に液体 を形成することを特徴とする液体分布制御ァクチユエータ。
[20] 液体を保持した電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間した 2つ以上の電極 部を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面上にポーラス構造を有する撥水層を設け た構造体とし、前記撥水層を設けた電極部を含む複数の電極部間に電圧を印加し、 該印加電圧を調節して前記構造体表面の液体量を変化させることを特徴とする液体 ァクチユエータ。
[21] 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体内部の液体を前記撥水層 表面に浸透滲出させて該構造体表面上の液量を増加させ、または前記撥水層表面 上の液体を浸透吸収し該構造体表面上の液量を減少させることを特徴とする請求項
20記載の液体ァクチユエータ。
[22] 前記電極部間に印加する電圧を調節して、該電極部周辺の液体を電気分解し気 体として揮散させ該構造体表面上の液量を減少させることを特徴とする請求項 20ま たは 21記載の液体ァクチユエータ。
[23] 前記構造体表面上の液量の増減を可逆的に行うことを特徴とする請求項 20〜22 の!ヽずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[24] 前記電解質が、有機電解質、無機電解質、またはそれらを組み合わせた電解質で あることを特徴とする請求項 20〜23のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[25] 前記電解質が、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホスフィ ン酸基、 4級アンモニゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、および 1級ァミノ基力 なる 群から選ばれる少なくとも 1つの基を有する高分子電解質であることを特徴とする請 求項 20〜24のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[26] 前記撥水層が、パラフィン系撥水剤、フッ素系撥水剤、およびシリコン系撥水剤力も なる群から選ばれる少なくとも 1つの撥水剤を含有することを特徴とする請求項 20〜 25の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[27] 前記電極部が金、白金、銅、カーボン、またはそれらを組み合わせて形成した電極 部であることを特徴とする請求項 20〜26のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエ一 タ。
[28] 液体分を含む電解質層の両側もしくは片側に電気的に離間した 2つ以上の電極部 を設け、少なくとも 1つの電極部外側表面にポーラス構造を有する撥水層を設けた構 造体とし、前記撥水層を設けた電極部を含む複数の電極部間に電圧を印加し、該印 加電圧を調節して前記構造体表面上に形成した液体の流動性を変化させることを特 徴とする液体ァクチユエータ。
[29] 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記構造体中の液体分を前記撥水層 表面に浸透滲出して前記構造体表面上に形成した液体を非流動化し、前記撥水層 表面の液体分を浸透吸収して前記構造体表面上に形成した液体を流動化すること を特徴とする請求項 28記載の液体ァクチユエータ。
[30] 前記電極部間に印加する電圧を調節して、前記電極部周辺の液体を電気分解し て発生した気体を前記撥水層表面に誘導し、該気体の圧力により前記構造体表面 上に形成した液体を押し上げ流動化することを特徴とする請求項 28または 29記載 の液体ァクチユエータ。
[31] 前記液体流動性を可逆的に変化させることを特徴とする請求項 28〜30のいずれ 力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[32] 前記電解質が、有機電解質、無機電解質、またはそれらを組み合わせた電解質で あることを特徴とする請求項 28〜31のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[33] 前記電解質が、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、ホスフィ ン酸基、 4級アンモニゥム基、 3級ァミノ基、 2級ァミノ基、および 1級ァミノ基力 なる 群から選ばれる少なくとも 1つの基を有する高分子電解質であることを特徴とする請 求項 28〜32のいずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[34] 前記撥水層が、パラフィン系撥水剤、フッ素系撥水剤、およびシリコン系撥水剤力も なる群から選ばれる少なくとも 1つの撥水剤を含有することを特徴とする請求項 28〜
33の!、ずれ力 1項に記載の液体ァクチユエータ。
[35] 前記電極部が金、白金、銅、カーボン、またはそれらを組み合わせて形成した電極 部であることを特徴とする請求項 28〜34のいずれか 1項に記載の液体ァクチユエ一 タ。
[36] 前記撥水層表面に液滴を形成したときの液滴接触角を 90〜150° の範囲で変ィ匕 させて液体流動性を制御することを特徴とする請求項 28〜35のいずれ力 1項に記 載の液体ァクチユエータ。
[37] 請求項 28〜36の 、ずれか 1項に記載の液体ァクチユエータを用いた液滴混合ァ クチユエータであって、電圧の印加により前記構造体表面上で非流動化した複数の 液滴を、電圧の調節により流動化して、互いを接触混合させることを特徴とする液滴 混合ァクチユエータ。
[38] 前記液滴が装置外部から供給形成された液滴であることを特徴とする請求項 37記 載の液滴混合ァクチユエータ。
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