特許 6985378 非追尾型太陽エネルギーコレクター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6985378

(24)【登録日】2021年11月29日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】非追尾型太陽エネルギーコレクター

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/054 20140101AFI20211213BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 620

【請求項の数】14

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2019-516377(P2019-516377)

(86)(22)【出願日】2017年9月6日

(65)【公表番号】特表2019-530244(P2019-530244A)

(43)【公表日】2019年10月17日

(86)【国際出願番号】IL2017050999

(87)【国際公開番号】WO2018055610

(87)【国際公開日】20180329

【審査請求日】2020年8月24日

(31)【優先権主張番号】62/399,586

(32)【優先日】2016年9月26日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517454022

【氏名又は名称】ビー．ジー． ネゲヴ テクノロジーズ アンド アプリケーションズ リミテッド、アット ベン−グリオン ユニヴァーシティ

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100156122

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 剛

(72)【発明者】

【氏名】アヴィ・ニヴ

(72)【発明者】

【氏名】イドー・フレンケル

【審査官】 原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００５６０８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００７０５８９７１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 中国実用新案第２０４０４５６０８（ＣＮ，Ｕ）

【文献】 特開２００２−２２８９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０７０５２７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０６３３３４５８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１０３２８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２３１２７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８

Ｈ０２Ｓ ４０／２０−４０／２２

Ｆ２４Ｓ １０／００−９０／１０

Ｇ０２Ｂ ５／００−５／１３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非追尾型太陽エネルギーコレクターであって、
(a) 入射太陽放射線 (2)を平行化し、反応性リフレクター (3)の表面に沿って少なくとも一つの焦点に向けるように構成された少なくとも一つの太陽放射コンセントレーター (1)；
(b) 外部キャビティー (4)の上部に搭載され、太陽放射線(2)を前記外部キャビティー (4)に入射するように構成された反応性リフレクター (3)、ここに、前記反応性リフレクター (3)は、強度閾値を超えた太陽放射線 (2)の少なくとも一つの焦点に瞬時に形成された少なくとも一つの透明ゾーン (5)を有し、前記少なくとも一つの透明ゾーン (5)は、前記太陽放射線 (2)の少なくとも一つの焦点の位置を追って、前記反応性リフレクター (3)の表面に沿って常に移動し、前記反応性リフレクターが、
(b-1)液体 (43)中の金属コートされた高反射性マイクロ粒子 (42)の懸濁物で充填された開口 (41)を有する分離フィルター（または、スペーサーシート） (40)、および
(b-2) ２枚の光学的に透明なスライド (44, 45)、第１の光学的に透明なスライド (44)は前記反応性リフレクター用の固体サポートを形成する前記分離フィルター (40)の下部に取り付けられ、第２の光学的に透明なスライド (45)は前記開口 (41)を覆う前記分離フィルター (40)の上部に取り付けられ、ここに、前記分離フィルター (40)は２枚の前記光学的に透明なスライド (44, 45)の間に挟まれ、それによってサンドイッチ状構造を形成する、
を備え；および
(c) 太陽電池 (6)を含有し、前記外部キャビティー (4)の壁上の太陽放射線 (2)の内部散乱によって入射した太陽放射線(2)を捕捉するように構成された外部キャビティー (4)、ここに、前記外部キャビティー (4)内部の太陽放射線 (2)の内部散乱は、前記太陽電池から散逸することを防止し、それによって、太陽放射損失を最小限化することができる、
を備える、非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項2】

前記外部キャビティーが１を超える分光的に最適化された太陽電池を含有する、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項3】

前記外部キャビティーが、前記分光的に最適化された太陽電池に取り付けられた１を超える帯域透過フィルターを含有し、前記帯域透過フィルターは異なる透過波長を有する、請求項２の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項4】

前記太陽放射コンセントレーターが、リフレクターもしくはそのアレイ、またはレンズもしくはそのアレイである、請求項１〜３いずれかの非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項5】

前記高反射性マイクロ粒子が金属コートガラスマイクロ球体である、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項6】

前記金属コートガラスマイクロ球体が銀コートまたはアルミコートガラスマイクロ球体である、請求項５の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項7】

前記金属コートガラスマイクロ球体が約1-100μｍの範囲の平均径を有する、請求項５の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項8】

前記金属コートガラスマイクロ球体が約42-62μｍの範囲の平均径を有する、請求項７の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項9】

前記液体が水である、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項10】

前記液体が水であって、前記高反射性マイクロ粒子が銀コートまたはアルミコートガラスマイクロ球体である、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項11】

前記分離フィルターが約100μｍの厚を有する、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項12】

前記分離フィルターの開口が前記非追尾型太陽エネルギーコレクターの有効口径を定める、約5 mmの直径を有する、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項13】

前記２枚の光学的に透明なスライドが市販の顕微鏡スライドである、請求項１の非追尾型太陽エネルギーコレクター。

【請求項14】

請求項１〜１３いずれかの反応性リフレクターを製造する方法であって、以下の工程：
(i) 前記分離フィルターを前記反応性リフレクター用の固体サポートを形成する第１の光学的に透明なスライドの上に置くこと、
(ii) 高反射性マイクロ粒子の希釈懸濁液を調製すること、
(iii) 前記分離フィルターの開口を前記高反射性マイクロ粒子の希釈懸濁液で充填して、前記高反射性マイクロ粒子の均一薄層を形成すること、および
(iv) 第２の光学的に透明なスライドを前記分離フィルター上に置き、それによって、前記開口を覆い、前記高反射性マイクロ粒子を密封すること
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

概略、本願は、太陽エネルギー収集に関する。特に、本願は、発見された現象である光誘起マイクロ粒子推進を利用する非追尾型太陽エネルギーコレクターに関する。

【背景技術】

【0002】

ミクロンサイズの対象物に影響を与える光の能力は、生物学、表面科学および物理において重要であり、特に、イン・ビボ治療、診断およびドラッグデリバリーシステムにおいて使用されている。この観点での現行のアプローチは、光と固体対象物との間の運動量移動または非対称粒子における熱泳動効果に依拠し、これらは双方とも数ピコ−ニュートンを超えない力に限定されている。それゆえ、より大きな力が必要であれば、新たなアプローチを創出しなければならない。

【0003】

近年、マイクロ−およびナノ−スケールの対象物の機械的操作は、イン・ビボ治療、ドラッグデリバリーおよび診断の可能性のある手段として特に関心を得ている。光は、この観点で、マイクロおよび、ひいてはナノスケールにて顕微鏡で透視する固有の能力のため、可能性のある電力源として特定のアピールがある。

【0004】

現在まで、光を用いて機械的運動を付与する最も有効な方法は、放射圧として知られる現象である。放射圧は、彗星の曲がった尾におけるその役割に関するＪｏｈａｎｎｅｓ Ｋｅｐｌｅｒの１６１９仮説に端を発する長い歴史を有するが、Ｊａｍｅｓ Ｃｌｅｒｋ Ｍａｘｗｅｌｌが、それは彼が新たに築いた電磁学理論の自然な帰結であることを示すと、より厳密な基礎を得ることになった［１］。それは、１９０１年にＰｅｔｅｒ Ｌｅｂｅｄｅｖによって［２］、そのすぐ後、１９０２年にＮｉｃｈｏｌｓおよびＨｕｌｌによって発見され［３］、それは、日付にこだわる周知のＭｉｎｋｏｗｓｋｉ−Ａｂｒａｈａｍ論争を巻き起こした［４−５］。

【0005】

放射圧は、ミクロンサイズの対象物および原子に対するその効果に関するＡｓｈｋｉｎ調査後にようやく利用され［６］、とりわけ［７］、光学ピンセットの発明をもたらした［８］。Ａｓｈｋｉｎは、光線光学を用いて、周囲よりも大きな屈折率を持つ透明粒子がビームの焦点に捕捉されることを示した。これは、変化する光線の強度プロファイルに依存するため、いわゆる勾配力である。今日、その軸対称に沿ったこの力−散乱力は、光線光学を超越して、離散双極子近似［９］およびＴ−行列計算［１０］を包含して、金属［１１］、非球体［１２］、および分散［１３］対象物も全てその射程内にある。

【0006】

何年にもわたって、光ピンセットは、我々の住む巨視的世界と、我々が利用しようとするミクロンサイズの物体との間の有用な架け橋となることが証明された。そうであるので、光ピンセットは、生物学、表面科学、およびマイクロ力学などにおいて、広く有用であることが見いだされた［１４］。それらを重要なツールとするような高レベルの制御にもかかわらず、それらの力は数ピコ−ニュートンに限定される［１６］。この限定は、電磁波と固体対象物との間の放射圧運動量移動プロセスが相互作用するという事実に由来する［４，１５］。おおまかにいうと、電磁波の運動量はＰ／ｃであり、式中、Ｐはパワーである。ｃは光の速度なので、この運動量は結局のところ微弱である。この限定は、光ピンセットだけではなく、放射圧ベースのアプローチにも同様に影響する［１７］。

【0007】

それゆえ、大きな力が必要ならば、放射圧以外のアプローチを創出しなければならないことは明白である。ひとつの可能性は、運動量ではなく、光のエネルギーを用いることである。これはなにも驚くことではない。なぜならば、光は、天然で最も実りの多い、エネルギーキャリアである。だから、本発明者らは、光の電磁エネルギーをマイクロ粒子の機械的運動に変換するメカニズムを開発した。類似するメカニズムの例は、近年、非対称Ｊａｎｕｓ粒子の光活性化泳動運動を実証した［１８］。運動は、この場合、温度勾配に由来し、直接光りの吸収による熱発生に由来しないので、得られた力は相対的に小さい。結果として、光−駆動運動は、この場合、しばしば、ブラウン運動と競合するか［１８−１９］、または、最大でも、放射圧軸力程度である［２０］。

【0008】

気泡、液中の蒸気ボイドは、そのユビキタスな発生および激しい動的挙動のために１世紀以上もの間興味を引き付けている［２１］。この事実は大量の熱を取り除く能力［２２］と組み合わされ、光でマイクロ対称物の運動を屈折させる独特の機会とする。

【発明の概要】

【0009】

本願は、非追尾型太陽エネルギーコレクターであって、
ａ）入射太陽放射線を、平行化し、かつ、反応性リフレクターの表面に沿って少なくとも一つの焦点に向かわせる、少なくとも一つの太陽放射コンセントレーター；
ｂ）外部キャビティーの上部に搭載され、太陽放射線の前記少なくとも一つの焦点に瞬時に形成された少なくとも一つの透明ゾーンを有し、太陽放射線を前記外部キャビティーに入射させる反応性リフレクター、
前記透明ゾーンは、前記反応性リフレクターの表面に沿って、太陽放射線の前記少なくとも一つの焦点位置を追って常に移動し；および
ｃ）太陽電池を含有し、前記外部キャビティーの壁上の前記太陽放射線の内部散乱によって、入射した太陽放射線を捕捉することができる外部キャビティー、
前記外部キャビティー内部の前記太陽放射線の前記内部散乱は、太陽放射が前記太陽電池から散逸することを防止し、それによって、太陽放射損失を最小限にする、
を備える、非追尾型太陽エネルギーコレクターの具体例を記載する。

【0010】

さらなる具体例において、非追尾型太陽エネルギーコレクターの前記外部キャビティーは、１を超える分光的に最適化された太陽電池および、前記分光的に最適化された太陽電池に取り付けられた１を超える帯域透過フィルターを含有し、前記帯域透過フィルターは異なる透過波長を有する。特定の具体例において、太陽放射コンセントレーターは、リフレクターもしくはそのアレイ、またはレンズもしくはそのアレイであってよい。

【0011】

ひとつの具体例の反応性リフレクターは、
（ａ）高反射性マイクロ粒子の懸濁液、例えば、水中の金属コートガラスマイクロ球体で充填された開口を有する分離フィルター、および
（ｂ）第１の光学的に透明なスライドが、前記反応性リフレクター用の固体サポートを形成する前記分離フィルターの下部に取り付けられ、第２の光学的に透明なスライドが、前記開口を覆う前記分離フィルターの上部に取り付けられた、市販の顕微鏡スライドなどの２枚の光学的に透明なスライド、
を備え、
ここに、前記分離フィルターは、前記２枚の光学的に透明なスライドの間に挟まれ、それによって、サンドイッチ状構造を形成する。

【0012】

さらに特定の具体例において、金属コートガラスマイクロ球体は銀コートまたはアルミコートされ、１−１００μｍ、好ましくは４２−６２μｍの平均径を有する。なおさらに特定の具体例において、分離フィルター（いくつかの図面では、「スペーサーシート」ともいう。）は、およそ１００μｍの厚を有し、前記分離フィルターの開口は約５ｍｍの直径を有し、これが非追尾型太陽エネルギーコレクターの有効口径を定める。

【0013】

本願のもう一つの局面において、反応性リフレクターを製造する方法は、以下の工程：
（ｉ）前記分離フィルターを前記反応性リフレクター用の固体サポートを形成する第１の光学的に透明なスライドの上に置くこと、
（ｉｉ）高反射性マイクロ粒子の希釈懸濁液を調製すること、
（ｉｉｉ）前記分離フィルターの開口を前記高反射性マイクロ粒子の希釈懸濁液で充填して、前記高反射性マイクロ粒子の均一薄層を形成すること、および
（ｉｖ）第２の光学的に透明なスライドを前記分離フィルター上に置き、それによって、前記開口を覆い、前記高反射性マイクロ粒子を密封すること
を含む。

【0014】

様々な具体例は、様々な利点をもたらし、様々なアプリケーションと組み合わせて用いることができる。１以上の具体例の詳細は、付随する図面および以下の明細書に記載する。記載された技術のその他の特徴、目的および利点は、明細書、図面および請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

開示された具体例は、以下の詳細な説明から、添付図面と組み合わせて、より完全に理解され、認識される。

【図1】図１は、ひとつの具体例の非追尾型太陽エネルギーコレクターの「素朴」な構成を概略的に示す。

【図2】図２は、ひとつの具体例の非追尾型太陽エネルギーコレクターの「フラットパネルマルチ−コンセントレーター」構成を概略的に示す。

【図3】図３は、ひとつの具体例の非追尾型太陽エネルギーコレクターの「スペクトルスプリッティング」構成を概略的に示す。

【図4】図４は、ひとつの具体例の反応性リフレクターを概略的に示す。

【図5】図５ａから５ｂは、光線との接触の際の単一マイクロ球体の突然ジャンプのローリングビデオキャプチャーからの２枚の連続画像を示す。

【図5a】図５ａは、運動開始直前の水浸漬ビーズ上に解き放たれたときの明部レーザースポットを示す。直径４１−μｍの銀コートガラスマイクロ球体および４０５ｎｍレーザービームスポットが、それぞれ、明部および暗部パッチとして見られる。

【図5b】図５ｂは、４０ミリ秒後で、マイクロ球体が、そのサイズのおよそ１０倍の距離移動したときの連続画像を示す。水中には痕跡量の気泡は見られなかった。

【図6】図６は、高速カメラを使用して毎秒５００，０００フレームの速度で得られた一組の連続画像であり、タイムステップ（ＡからＲ）での直径４１−μｍの銀コートガラスマイクロ球体での気泡の発達を示している。画像（Ａ）は気泡の形成前（気泡が最初に見えるようになる直前）のマイクロ球体を示し、画像（Ｈ）は最大半径の気泡を示し、画像（Ｒ）は気泡が完全に消滅した後の移動したマイクロ球体を示す。

【図7a】図７ａは、典型的なマイクロ球体運動および対応する気泡半径を示す。マイクロ球体位置は青色「ｏ」マークで示され、気泡の半径は橙色「ｘ」マークで示されている。文字は、図６の各フレームに対応する。挿入図は、気泡が連続位置間の２００μｓで消滅した後の典型的なマイクロ球体の運動を描写する。

【図7b】図７ｂは、時間に対する、典型的な球体が初期位置から移動した距離（白抜きマル）および対応する気泡半径（バツ）を示す。

【図8】図８は、時間に対する有効気泡半径の展開を示す。青色「ｘ」マークは平均気泡半径を示し、エラーバーで観察における標準偏差を図示する。実測平均気泡半径をバツ（標準偏差エラーバー付き）で示し、実線は、慣性制御された球形気泡の予測動力学を示す。

【図9】図９は、ひとつの具体例の反応性リフレクターの操作原理およびその光透過測定を概略的に示す。

【図9a】図９ａは、中ないし低強度の入射収束光を反射し吸収することによって透過を妨げる高密度マイクロ粒子の懸濁液を概略的に示す。

【図9b】図９ｂは、臨界パワーレベル以上の収束光が光路からマイクロ粒子を移動させて、透明性が出現する状況を概略的に示す。

【図9c】図９ｃは、１０の標準化透過率測定（透過率対入射レーザーパワー）の平均を示す。４０−６０ｍＷ間のジャンプはレーザーの臨界パワーを示し、そこを越えると、反応性リフレクターが焦点で透明になる。

【図10】図１０は、電磁エネルギーから機械エネルギーへの移動（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ； ＥＭＭＥＴ）プロセスの実測およびひとつの具体例のプロトタイプ反応性リフレクターの開発に用いた光学設定を概略的に示す。

【図11】図１１は、気泡が最初に検出された後、異なる時間間隔での気泡半径およびマイクロ球体位置を示す強調された図６である。連続フレーム間の時間は２μｓである。

【図12】図１２は、同一マイクロ球体の５３測定に係る最大気泡半径のヒストグラムを示す。

【図13】図１３は、２００ｎｍ銀で被覆された５０−ｍｍガラスマイクロ球体の断面に沿った、３ミリ秒の加熱後の温度分布のシミュレーションを示す。熱は、球体の対称軸の１０ｍｍ右側を中心とする１０ｍｍウエストを持つ１００ｍＷ光線の光吸収によって供給される。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下の説明において、本願の様々な局面が記載される。説明目的で、本願の完全なる理解のために、特定の構成および詳細を記載する。しかしながら、本願は、ここに提示された特定の詳細なくても実施可能であることは当業者に明らかである。さらには、周知の特徴は、本願を曖昧にしないために、割愛または簡略化することがある。

【0017】

ここで用いる専門用語は、特別な具体例のみを説明するためのものであり、本発明を限定する意図はない。請求項で用いられる用語「含む・備える’’ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ’’」および「含む・備える’’ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ’’」は、その後に列記される手段に限定するものと解釈してはならず；それらは、他の要素や工程を排除しない。それらは、１以上の他の特徴、整数、工程または成分、またはそれらの群の存在および／または付加を排除しないが、言及されたように、記述した特徴、整数、工程および／または成分の存在を特定するものとして解釈される必要がある。かくして、表記「ｘおよびｚを備えるデバイス」の範囲が、成分ｘおよびｚのみからなるデバイスに限定されてはならない。また、表記「工程ｘおよびｚを含む方法」の範囲がこれらの工程のみからなる方法に限定されてはならない。

【0018】

断りがない限り、ここで用いるとき、用語「約」は、当該分野における通常の許容範囲内、例えば、平均の２標準偏差であると理解される。ひとつの具体例において、用語「約」は、それと共に用いられる数の報告された数値の１０％以内、好ましくは報告された数値の５％以内を意味する。例えば、用語「約」は、記述された値の１０％，９％，８％，７％，６％，５％，４％，３％，２％，１％，０．５％，０．１％，０．０５％，または０．０１％以内であると直ちに理解することができる。他の具体例において、用語「約」は、例えば、用いられた実験技術に依存して、より高い変動許容度を意味し得る。特定の値の前記変動は、当業者に理解され、本発明の文脈内にある。実例として、「約１から約５」の数値範囲は、明示的に記載された約１から約５のみならず、個々の値および、当該記載された範囲内の小範囲をも包含する。かくして、この数値範囲には、２、３、および４ならびに、例えば１〜３、２〜４、および３〜５の小範囲、さらには、独立して、１、２、３、４、５、または６が含まれる。同じ原則が、最小値または最大値としてひとつの数値のみを記載する範囲に適用される。文脈から明らかに異なることがない限り、ここで提示される全ての数値は用語「約」によって修飾される。他の同様の用語、「実質的に」、「概略的に」、「まで」などは、値が絶対的なものではないように用語または値を修飾すると解釈されるべきである。そのような用語は、それらが当業者に理解されるように修飾する状況および用語によって定義される。これは、少なくとも、値を測定するために用いる所与の実験、技術または装置についての予期される実験誤差、測定誤差、および機械誤差を含む。

【0019】

ここで用いるとき、用語「および／または」は、関連して列記された１以上の項目のいかなる組合せも含む。特段の定めなければ、ここで用いる全ての用語（技術および科学用語を含む）は、この発明の属する分野の当業者が普通に理解するのと同じ意味を有している。以下のことがさらに理解されるであろう：普通に用いられる辞書に定義されたもののような用語は、明細書の文脈および関連技術におけるそれらの意味と一致する意味を有していると解釈されるべきであり、ここに明示的に定義されない限り、理想的または過剰に形式的な意味に解釈されるべきではない。周知の機能または構成は、簡潔さおよび／または明確さのために詳細には記載しない。

【0020】

ある要素が、他の要素に対して、「上に」、「付着し」、「接続し」、「連結し」、「接触し」等と言われるとき、他の要素に対して直接、上に、付着し、接続し、連結し、もしくは接触するか、または、介在する要素が存在してもよい、と理解される。対象的に、ある要素が、もう一つの要素に対して、「直接上に」、「直接付着し」、「直接接続し」、「直接連結し」、または「直接接触し」等と言われるとき、介在する要素は存在しない。もう一つの特徴に「隣接して」配置される構造または特徴への言及は、その隣接する特徴に重なるかその下に配置された部分を有するであろう。

【0021】

特段の定めなければ、ここで用いる全ての用語（技術および科学用語を含む）は、この発明の属する分野の当業者が普通に理解するのと同じ意味を有している。以下のことがさらに理解されるであろう：普通に用いられる辞書に定義されたもののような用語は、明細書の文脈および関連技術におけるそれらの意味と一致する意味を有していると解釈されるべきであり、ここに明示的に定義されない限り、理想的または過剰に形式的な意味に解釈されるべきではない。周知の機能または構成は、簡潔さおよび／または明確さのために詳細には記載しない。

【0022】

本願は、図１に示す非追尾型太陽エネルギーコレクターに関し、
ａ）入射太陽放射線（２）を、平行化し、かつ、反応性リフレクター（３）の表面に沿って少なくとも一つの焦点に向かわせる、少なくとも一つの太陽放射コンセントレーター（１）；
ｂ）外部キャビティー（４）の上部に搭載され、太陽放射線（２）を前記部キャビティー（４）に入射させる反応性リフレクター（３）、
前記反応性リフレクター（３）は、強度閾値を超える太陽放射線（２）の前記少なくとも一つの焦点に瞬時に形成された少なくとも一つの透明ゾーン（５）を有し、
前記少なくとも一つの透明ゾーン（５）は、前記反応性リフレクター（３）の表面に沿って、太陽放射線（２）の前記少なくとも一つの焦点位置を追って常に移動し；および
ｃ）太陽電池（６）を含有し、入射太陽放射線（２）を前記外部キャビティー（４）の壁上の前記太陽放射線（２）の内部散乱によって捕捉することができる外部キャビティー（４）、
前記外部キャビティー（４）内部の前記太陽放射線（２）の前記内部散乱は、太陽放射が前記太陽電池から散逸することを防止し、それによって太陽放射損失を最小限化することができる、
を備える。

【0023】

ひとつの具体例の非追尾型太陽エネルギーコレクターは、３つの異なる構成で実現できる。第１の「素朴な」構成が図１に示される。この場合、太陽放射コンセントレーターは、入射太陽放射線（２）を、平行化し、かつ、反応性リフレクター（３）の表面に沿って焦点に向かわせるレンズ（１）である。「反応性リフレクター」は、ある強度閾値を超えると透明になるリフレクターと定義される。光学レンズ（１）は、例えば、軸屈折率分布レンズであり、それは太陽光線の完全な受動集中を与える。これは、高効率太陽光発電に動力を与える低コスト、小型、受動コンセントレーターアレイを創作することによって、高効率受動フラットパネルを可能にする。

【0024】

反応性リフレクター（３）は、外部キャビティー（４）の上部に搭載され、太陽光線の対応する焦点に瞬時に形成されたひとつの透明ゾーン（５）を有し、これらの太陽光線が前記外部キャビティー（４）に入るようにする。透明ゾーン（５）は、反応性リフレクター（３）の表面に沿って、太陽光線の焦点位置を追って常に移動することができる。透明ゾーン（５）のこの独特な運動の背後にある現象を、以下に詳細に説明する。

【0025】

外部キャビティー（４）は、太陽電池（６）を含有し、前記外部キャビティー（４）の壁上の前記太陽放射線の内部散乱プロセス（７）によって、入射した太陽光線を捕捉できる。前記外部キャビティー（４）内部の太陽光線の内部散乱は、太陽放射が前記太陽電池（６）から散逸することを防止し、それゆえ、太陽放射損失を最小限にする。

【0026】

図２は、ひとつの具体例の非追尾型太陽エネルギーコレクターの「フラットパネルマルチ−コンセントレーター」構成を示す。この構成は、太陽放射コンセントレーターとしてレンズレットアレイ（１）を含有する。「レンズレットアレイ」は、小レンズ（レンズレット）のアレイと定義することができ、各小レンズがアレイの分離不可能なパーツを構成し、アレイの他のレンズレットと同一平面にあり、通常、アレイの他のレンズレットと同一焦点距離を有する。太陽放射コンセントレーター（１）にはいくつかのレンズレットがあるので、反応性リフレクター（３）の表面に沿って平行化された太陽光線（２）によって形成された、いくつかの焦点がある。結果として、いくつかの透明ゾーン（５）が太陽光線の対応する焦点に瞬時に形成され、これらの太陽光線が前記外部キャビティー（４）に入射するようにする。反応性リフレクター（３）は太陽電池（６）を含有する外部キャビティー（４）の上部に搭載される。複数の透明ゾーン（５）は、反応性リフレクター（３）の表面に沿って、太陽光線の焦点位置を追って常に移動することができる。外部キャビティー（４）は、前記外部キャビティー（４）の壁上での前記太陽放射線の内部散乱プロセス（７）によって入射した太陽光線を捕捉することができる。前記外部キャビティー（４）内部の太陽光線の内部散乱は、太陽放射が前記太陽電池（６）から散逸することを防止して、それゆえ、太陽放射損失を最小限化する。

【0027】

図３を参照して、いわゆる「スペクトルスプリッティング」構成を示す。この特別の構成において、太陽放射線（２）は、レンズまたはそのアレイである太陽放射コンセントレーター（１）に入射する。太陽放射コンセントレーター（１）は、入射した太陽光線（２）を、平行化し、かつ、反応性リフレクター（３）の表面に沿って焦点に向かわせる。反応性リフレクター（３）は、外部キャビティー（４）の上部に搭載され、対応する太陽光線の焦点に瞬時に形成された少なくとも一つの透明ゾーン（５）を有し、それによって、これらの太陽光線が前記外部キャビティー（４）に入射するようにする。透明ゾーン（５）は、反応性リフレクター（３）の表面に沿って、太陽光線の焦点の位置を追って常に移動することができる。

【0028】

図３に示すスペクトルスプリッティング構成は、１を超える分光的に最適化された太陽電池（６）および、対応する分光的に最適化された太陽電池（６）に取り付けられた１を超える帯域透過フィルター（８）を含有する外部キャビティー（４）を有し、前記帯域透過フィルター（８）は異なる透過波長を有することを特徴とする。外部キャビティー（４）は、内部散乱プロセス（７）によって入射した太陽光線を捕捉し、太陽放射が前記太陽電池（６）から散逸することを防止し、それゆえ、太陽放射損失を最小限にすることができる。

【0029】

図４は、反応性リフレクターであって、
（ａ）水などの液体（４３）中の金属コート、好ましくは、銀コートまたはアルミコートされたガラスマイクロ球体などの、高反射性マイクロ粒子（４２）の懸濁物で充填された開口（４１）を有する分離フィルター（または、スペーサーシート）（４０）、および
（ｂ）２枚の光学的に透明なスライド（４４，４５）、第１の光学的に透明なスライド（４４）は前記反応性リフレクター用の固体サポートを形成する前記分離フィルター（４０）の下部に取り付けられ、第２の光学的に透明なスライド（４５）は前記開口（４１）を覆う前記分離フィルター（４０）の上部に取り付けられ、ここに、前記分離フィルター（４０）は２枚の前記光学的に透明なスライド（４４，４５）の間に挟まれ、それによってサンドイッチ状構造を形成する、
を備える、ひとつの具体例の反応性リフレクターを概略的に示す。

【0030】

金属コート、好ましくは銀コートまたはアルミコートされたガラスマイクロ球体などの高反射性マイクロ粒子（４２）は、１−１００μｍ、好ましくは４２−６２μｍの範囲の平均径を有することができる。分離フィルター（４０）は、いかなる適当なポリマー、特に、約１００μｍの厚を有するプラスチック製フィルムであり得る。分離フィルター（４０）内部の開口（４１）は約５ｍｍの直径を有することができ、前記非追尾型太陽エネルギーコレクターの有効口径を定める。２枚の光学的に透明なスライド（４４，４５）は、いかなる市販の顕微鏡スライドからも選ぶことができる。

【0031】

ひとつの具体例の反応性リフレクターを製造する方法は、以下の工程：
（ｉ）前記分離フィルター（４０）を前記反応性リフレクター用の固体サポートを形成する第１の光学的に透明なスライド（４４）の上に置くこと；
（ｉｉ）浸漬液（４３）中の高反射性マイクロ粒子の希釈懸濁液（４２）を調製すること；
（ｉｉｉ）前記分離フィルター（４０）の開口（４１）を浸漬液（４３）中の前記高反射性マイクロ粒子の希釈懸濁液（４２）で充填して前記高反射性マイクロ粒子（４２）の均一薄層を形成すること；および
（ｉｖ）第２の光学的に透明なスライド（４５）を前記分離フィルター（４０）上に置き、それによって、前記開口（４１）を覆い、前記高反射性マイクロ粒子（４２）を密封すること
を含む。

【0032】

本発明は、電磁波のエネルギーが水などの浸漬液（４３）中の反射性マイクロ粒子（４２）の運動に効率的に転換できることを見出した。これは、熱を他の形態のエネルギー、および、気泡の動力学挙動の猛威に転換するときの相転移の効率を利用することにより、達成される。提案するアプローチは、今までに達成されたものよりも６桁大きい等価力でマイクロ粒子（４２）を推進することによって実証される。この場合、相転移の爆発的な性質とそれに続く拡張およびその後の気泡の完全な液化は５０μｓも続かない。それにもかかわらず、測定された気泡を公知のモデルと比較すると、球体の明らかな加速とは別に、プロセスはほぼ断熱的であり、すなわちエネルギーの消散が最小であることが示された。

【0033】

かくして、ひとつの具体例の反応性リフレクターは、上記アプローチが本願の主たる局面を構成することに基づき、半透明から透明に二元的に切り替えることができる。半透明から透明への二元スイッチングは、光では達成できなかった力を要求するコロイド物質の大規模再組織化によって達成される。提案したアプローチは、太陽エネルギーコレクションに限定されないが、概略、マイクロ流体、マイクロ−ヒートエンジンおよびポンプ、ならびマイクロ−マシーンに用いることもできる。

【0034】

本願は、ミクロンサイズの粒子の光活性化運動を実証し、高速カメラおよび気泡運動の公知モデルを用いて、発生する電磁エネルギーから機械エネルギーへの変換（ＥＭＭＥＴ）を分析する。図５ａ−５ｂを参照して、そのようなイベントのローリングビデオキャプチャーからの２つの連続画像を示す。図５ａは、運動開始直前の水浸漬ビーズが光っている明部レーザースポットを示す。ビーズは、この場合、水に浸漬され、２枚の標準微視的カバースリップにキャップされた５０−μｍ銀コートガラス球体である。サンプルは、撮像のため上部から白色光で照射し、４０５ｎｍレーザーで下部から照射して、ＥＭＭＥＴを変調する。この実験の詳細な説明については、実験セクションを参照すればよい。

【0035】

図５ｂは、マイクロ球体がそのサイズの１０倍を超える距離移動した連続画像を示す。液体中には痕跡量の気泡も残存していないことに着目すべきである。有効力は、この場合、

【0036】

【数1】

で見積もることができ、マイクロ−ニュートンの範囲であり、式中、ｍΔｘおよびΔｔ
は、移動した物体の質量継続時間（ｔｈｅ ｍａｓｓ ｄｕｒａｔｉｏｎ）および移動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ)である。この力は、同一レーザー強度を用いる放射圧ベースアプローチから予測されるものよりも一桁以上大きい。以下の段落００４７に記載されるさらなる分析は、この力は、実際、今まで観測されたものの６桁以上大きいことを示す。さらに、レーザーは、０．４の低開口数を有する単純なＸ２０対象レンズでここに焦点化し、光ピンセットは、しばしば、開口数が＞１の油浸漬対象レンズを用いる。この単純比較は、マイクロ粒子の長距離強力光活性化運動として、提案するＥＭＭＥＴアプローチの大いなる可能性を示す。

【0037】

ＥＭＭＥＴの開始時に行われるプロセスをよりよく把握するために、高速カメラを使用して毎秒５００，０００フレームの速度で一連の画像を取得した。図６は、高速カメラを使用して毎秒５００，０００フレームの速度で得られた一組の連続画像であり、直径４１−μｍの銀コートガラスマイクロ球体における気泡の発生を２ｍｓの時間ステップで示している（ＡからＲ）。画像（Ａ）は、気泡の形成前（気泡が初めて見える直前）のマイクロ球体を示し、画像（Ｈ）はその最大半径での気泡を示し、そして画像（Ｒ）は気泡が完全に消えた後の移動マイクロ球体を示す。撮像経路にロングパスフィルター（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社ＦＥＬ５００）が配置されているため、４０５ｎｍのレーザーのスポットは画像上では見えない。拡張する暗い縁は、気／液界面の進展を示し、実際は気泡である。画像（Ｄ）で現れ始める気泡中心の明るい領域は、気体がガラススライドに到達した場所を示している。これらの場合、気泡は球体よりも円盤状である。

【0038】

本発明者らは、上記したように分離フィルターで維持して、透明スライド間をより大きく離して、気泡がより球形になるか否かについても試験した。しかしながら、これらは、それほど鮮明ではないが同様の運動を示した。それゆえ、本願では示していないが、要求により提供可能である。次の２枚の画像（Ｅ）および（Ｆ）は、図６が、気泡が拡張するとき、気泡はへこみを生じることを示す。このへこみは、この段階での進行が、依然として先行する気泡前線より遅れているマイクロ球体によって生じる。マイクロ球体は、最終的に、画像（Ｈ）から摂動し始める。画像（Ｇ）および（Ｈ）は、最大限の気泡を示し、そこから先、気泡はしぼみ始めるが、マイクロ球体は、その元来のコースをたどり続ける。これは、画像（Ｍ）で鮮明に見られる様に、最終的に、幾分気泡ピンチオフの効果に似て、気泡のへこみが膨らむ［２３］。

【0039】

最終的に、気泡およびマイクロ球体は、画像（Ｐ）に見られるように、分離する。そこから、マイクロ球体は水中を自由に動き、気泡は見えなくなり続け、完全に消失する。同一のイベントは２つとないが、同様のトレンドが、何百もの場面で異なる粒子径で観察された。

【0040】

図７ａは、典型的なマイクロ球体運動および対応する気泡半径を示す。マイクロ球体位置は青色「ｏ」マークで示され、気泡の半径は橙色「ｘ」マークで示されている。文字は、図６の各フレームに対応する。挿入図は、気泡が連続位置間の２００μｓで消滅した後の典型的なマイクロ球体の運動を描写する。図７ｂは実際には図７ａと同一であるが、挿入図は、より大きな尺度のマイクロ球体進行、すなわち、移動時間に対する、典型的な球体が初期位置から移動した距離（白抜きマル）および対応する気泡半径（バツ）を示す。約１２μｓより短い移動時間では、気泡およびマイクロ球体は、実際には、識別できない。３０−４５μｓから、マイクロ球体の進行が完全停止まで著しく失速する。図７ａおよび７ｂの白抜きマルは、実際は、マイクロ球体の中心の位置を示し、これは、図６に示される（Ａ）−（Ｒ）画像に対応する。しかしながら、この時間スケールは、先に示したものよりも拡張している。図７ａおよび７ｂにおいてバツで示される有効気泡半径は、式：

【0041】

【数2】

により、気泡の観察表面から得られた。この選択により、気泡変形の効果が軽減され、かくして、下記する公知の分析モデルとのよりよい比較が可能となる。

【0042】

いくつかの気が付いたことがある。まず、気泡発生から１２μｓの転換点までの拡張段階は、２６μｓまでの気泡の収縮段階と鏡像関係にある。気泡がエネルギーを周囲に散逸しないので、慣性制御された気泡運動力学が勝っていることを明確に表している。公知の散逸メカニズムは、この場合、気体と液体との間の質量移動［２４］、気泡内および気泡壁を通り周囲への熱移動［２５］、水の粘度ならびに衝撃波の放出［２６］である。最初の２つは、ここでは影響がないと予測される。なぜならば、蒸発の典型的な時間スケールは秒［２４］であり、熱拡散率の特徴的な時間

【0043】

【数3】

は、およそ４０μｓ（蒸気の熱拡散計数を

【0044】

【数4】

とし、典型的な気泡半径を

【0045】

【数5】

とした場合）であり、本発明の気泡の典型的な脈動よりも長いからである。水の粘度ならびに衝撃波の放出による散逸は、気泡の観測された運動を通して予測できない。なぜならば、図７ａおよび７ｂに見られるように、５ｍ・ｓ^−１を超えないからである。急速現象である、激しい蒸発または凝縮は、しかしながら、ありがちな衝撃波の放出とともに、脈動の非常に早期の最終段階でのみであるが、予想でき、後で説明する。

【0046】

本件において、マイクロ球体と気泡との間の相互作用を考慮すべきである。このメカニズムの手がかりは、約２４μｓで見ることができるマイクロ球体の突然の減速により与えられる。図６は、その時間までに、マイクロ球体は気泡の範疇を越えて著しく摂動されることを示す。これは、減速が、おそらくマイクロ球体と周囲の水塊との摩擦によって生じることを示唆する。その時間前、マイクロ球体−水摩擦は最小限である。なぜならば、マイクロ球体は気泡内に内没し、それゆえ、先行する気泡前線の近くで水塊と一緒に移動しているからである。同様に、気泡の減速は、２８μｓあたりで見られる。これは、しかしながら、図６の画像（Ｎ）−（Ｒ）に見られる気泡の大きな変形の人為的影響であるか、または、マイクロ球体摩擦の効果というよりも、早期段階の凝縮の徴候であろう。図７ｂの挿入物は、マイクロ球体がその初期位置から２８０μｍ移動した後、完全停止に至るまでの、水中でのマイクロ球体進行をより大きなスケールで示す。

【0047】

上記した現象および本発明の保護見解を越えたプロセスにおけるよりよい見識を得るために、得られた実験結果を球形気泡の分析モデルと比較することができる。各ＥＭＭＥＴ事象の特定の人為的影響を軽減するために、同一のマイクロ球体で５５試験を記録し、より大きな実測気泡半径での８試験を代表的な組として選択した。この実験の詳細な説明については、実験セクションを参照すればよい。

【0048】

図８は、時間とともに、有効気泡半径の進展を示す。青色「ｘ」マークは、実測における標準偏差を示すエラーバー付きで平均気泡半径を示す。実測した平均気泡半径はバツ（標準偏差エラーバー付き）で示され、実線は慣性制御された球形気泡の予測される運動力学を示す。このトレンドは、周知のレイリー・プレセット方程式 （Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ）［２５，２７，２８］：

【0049】

【数6】

（式中、Ｒ（ｔ）は瞬間的気泡半径であり、Ｐ∞は気泡から遠く離れた液体の圧力であり、ρは水の密度であり、オーバードットは時間偏微分を意味する。）の形態で、球形気泡の運動力学についての分析モデルと比較する。気泡の慣性挙動は、この場合、気泡内部に捕捉された蒸気のポリトロープモデル（ａ ｐｏｌｙｔｒｏｐｉｃ ｍｏｄｅｌ）：

【0050】

【数7】

（式中、Ｐ_０およびＲ_０は、それぞれ、初期圧力および気泡半径であり、γは蒸気断熱定数である。）を採用することによって保存される［２５，２８］。最終的に、表面張力による圧力はヤングの式：

【0051】

【数8】

（式中、Ｓは表面張力計数である。）で与えられる。

【0052】

式（１）は、式（２）および（３）を用いて、数値積分されて、図８に示される実線を生成できる。初期圧力は、水の臨界点、すなわち、Ｐ_０＝２２．０６４ＭＰａに選び、断熱気泡動力学は、γ＝１．３３と仮定して保証した。また、密度および表面張力は、ρ＝１０００ｋｇ／ｍ^３およびＳ＝０．０７ｋｇ／ｓ^２と仮定した。周囲圧力Ｐ∞＝４４ｋＰａ、および初期半径Ｒ_ｉ＝６．４５μｍをフィッティングパラメータとした。前記モデルの実測データとの一致は驚くほど良く、大部分、気泡は、球体というよりも円板状であり、さらには、その表面に付着した球体を有するということが想定される。良好な一致は、しかしながら、２Ｄ気泡に対するレイリー・プレセットモデルが、右辺の様々な単項式の前因子まで式（１）に近似しているという事実［２９］に支持されているのかもしれない。

【0053】

図８は、良好な一致を越えて、拡張の初期段階、さらには、収縮の後期段階にて存在する偏差を示し、それは、非常に早期および最終段階に出現する非断熱プロセスを指し示す。これらのプロセスの持続時間の度数は、圧力平衡時間

【0054】

【数9】

で与えられ、それは、

【0055】

【数10】

の気泡および蒸気中の音速Ｃ_ｇおよそ４７７．５ｍ／ｓに対しておよそ０．１μｓである。明らかに、そのような短時間スケールは、現在の検出限界以下である。第１は、これらの非断熱プロセスにおいて、気泡が最初に形成されると蒸発が必ず発生することである。第２は、最終的に溶かした収縮である。これらは、衝撃波も放出し、ＥＭＭＥＴ事象の開始に伴うかすかに聞こえる「クリック」音によって仮説が支持される。

【0056】

上記実測と分析モデルとの比較に基づき、以下の一連のイベントがＥＭＭＥＴ事象の開始の間に起こることが提案される。まず、球体の表面が、レーザーからの光を吸収することによって加熱される。この加熱は、付近の水の膜が過熱されるまで温度を上昇させる。この段階の持続時間は、低レーザー出力で数秒から、１００−ｍＷの全出力で数ミリ秒まで変化する。これらの時間スケールは、本願の実験セクションで代表される加熱プロセスの有限シミュレーションによって確認される。飽和液体のフィラメントは、次いで、相転移して、高圧蒸気になる。モデルの良好な一致は、この段階の条件が水の臨界点に近く、非常に小さなスケールのみでは、幾分、水蒸気爆発［３０］に似た状況である。この事象の持続時間は、おそらく、圧力平衡時間に近く、本件の場合、０．１μｓである。この時間は、２μｓでもマイクロ球体の位置が大きく変化しないことを示す図６の画像（Ａ）〜（Ｂ）に見られるように、マイクロ球体に大きな運動を与えるには短過ぎる。断熱モデルの気泡運動力学からの後の不一致は、この初期の段階は非常に非断熱的であることを示す。

【0057】

気泡が拡張するとき、蒸気が冷却し、式（２）で与えられるように、ふたつの間の断熱関係が達成されるまで、圧力が低下する。これは、気泡が最初に観察された段階でもある。この段階のマイクロ球体は、先行する気泡前線に運ばれる。図６および図７ａ〜ｂの双方を通して見られる気泡の一定減速は、この時間で、内部蒸気圧ＰＶが、周囲の合成圧力および表面張力、それぞれ、Ｐ∞およびＰＳを下回るまで低下することを示す。

【0058】

いくつかの点で、気泡の慣性はなくなり、気泡は収縮し始めるが、依然として、断熱様式である。気泡は、しかしながら、完全な球体ではなく、そのほとんどが、三相接触線を介してマイクロ球体および、それを取り巻く気体／液体界面を後退させ［２２］、一定速度で、外側に動き続ける。この反対トレンドのため、気泡は、著しく変形し、マイクロ球体は、完全分離が達成されるまで、減速する。マイクロ球体は、今や、水中で自由に移動し、気泡は、液相に戻る収縮の最終非断熱段階にある。図７ａからｂにおいて、４４μｓ後にマイクロ球体が経験する小さな加速は、気泡マイクロ球体相互作用は、気泡が見えなくなった後でさえも終わっていないことを示し、それは、衝撃波により生じるのであろう。この最終加速は、典型的な発生であって、今回の実験で分析された特定のＥＭＭＥＴ事象に特異的なことではないことに言及することが大事である。

【0059】

提案されたＥＭＭＥＴアプローチは放射圧−ベースのアプローチ（主に、光活性化される）とはいくつか明らかな類似点を共有するが、根本的に起源が異なるので、いくつかの基本的な差異が優位となる。運動量移動に基づけば、放射圧は瞬時であり、光源の強度と線形関係にある。ＥＭＭＥＴプロセスは、一方、事象の連鎖（電磁エネルギー→マイクロ粒子内の熱→水への熱伝導→水における相変化→急速気泡運動力学→マイクロ粒子の運動エネルギー）を含み、それは、瞬時でも、線形でもない。光源のいくつかの臨界強度を下記する。例えば、マイクロ球体上ヒートスポットからその周囲への熱の除去速度は、水における相変化の発生を防止するのに十分であり、それゆえ、ＥＭＭＥＴが発生するのを防止する。その臨界強度以上では、ＥＭＥＴは確かであるが、加熱時間は、熱を同じ粒子から離すだけでも、変化する。十分高いレーザー強度、本件では、約１００ｍＷについては、しかしながら、ＥＭＭＥＴ開始はほとんど即座であり、数ミリ秒だけの典型的な加熱時間である。

【0060】

上記した明らかな相違にも関わらず、ＥＭＭＥＴプロセスに対する等価力、マイクロ球体を特定時間に所定の速度にまで駆動するのにかかる時間を割り振ることによって、ふたつを比較する。図７ａ〜ｂにおいて、開始して約４０μｓ後、マイクロ球体が、速度Ｖ＝０．７５ｍ／ｓにて水中で自由に移動していることが明らかである。マイクロ球体が、ほぼ全体がガラス製（密度２．５ｇｒ／ｃｍ^３）であり、その直径が４０μｍであることを考慮すると、その質量は、Ｍ＝８４ｘ１０^−１２ｋｇと算出される。その運動のその段階でのビーズの直線運動は、それゆえ、Ｐ＝ＭｘＶ＝６３ｘ１０^−１２ｋｇ・ｍ・ｓ^−１である。典型的な時間スケールΔｔ＝４０μｓを考慮する

【0061】

【数11】

という平均値定理から、有効力

【0062】

【数12】

は、およそ１．６ｘ１０^−６Ｎと算出される。この数値を考慮すれば、放射圧力は、今や、同一のマイクロ球体に作用する同一の光源から見積もることができる。

【0063】

ＥＭＭＥＴプロセスは、波長λ＝４０５ｎｍの１００−ｍＷ出力レーザービームで開始される。各フォトンは、約５ｘ１０^−１９ジュールのエネルギー

【0064】

【数13】

を持っているので、フォトンは、Ｒ＝２ｘ１０^１７ｓ^−１の速度に到達してしまう。各フォトンの運動量は、ｐ＝１．６ｘ１０^−２７ｋｇ・ｍ・ｓ^−１なので、このビームが伝えることができる最大力は、

【0065】

【数14】

である。これは、ＥＭＭＥＴが、実用上、放射圧の理論限界よりも４桁大きな力を発揮できたことを示す。この理論限界は、実際、上限であることに言及する。レーザーフォーカシングおよび球形状のマイクロ球体を考慮して、勾配および散乱力はなお小さい。光ピンセットは、例えば、同様の条件で、ピコニュートン範囲の力を伝える［１６］。それゆえ、運動量からエネルギー移動へのパラダイム変化が、今日までのものよりも６桁まで大きな力でマイクロサイズ対称物を操作するために光を用いることができるようになったことは明らかである。

【0066】

かくして、ひとつの具体例の非追尾型太陽エネルギーコレクターは、上で説明したＥＭＭＥＴ現象を利用する反射性リアクターにより、半透明から透明への二元光スイッチングの能力を有する。上記したように、ひとつの具体例の反応性リフレクターは、マイクロ粒子の高密度の懸濁液が形成されるまで、マイクロ粒子を、水で満たされた開口に充填することによって、形成される。この高密度の懸濁液は、各マイクロ粒子の反射／吸収特性により、効率的に透過を妨げる。粒子の濃密懸濁液が、マイクロ粒子の反射／吸収特性により、光の透過を妨げるときの状況を図９に描写する。光がマイクロ粒子の層上に集光されると、高強度光路からマイクロ粒子を排除するＥＭＭＥＴが発生して、図９ｂに概略的に示すように、光透過性が増大する。

【0067】

図９ｃは、１０の標準化透過測定（透過率対様々なレーザー強度）の平均を示す。４０−６０ｍＷの間のジャンプは、レーザーの臨界強度範囲を示し、そこを越えると、反応性リフレクターが、焦点で透明になることを示す。元来非透明層を形成しているマイクロ粒子が、推進され、移動するレーザービーム周りに再構成される能力は、今まで示されたことがない。この現象は、太陽エネルギー変換用途のみならず、マイクロ流体チップにおけるプロセスの制御、マイクロロボットの設計、ならびに、治療、診断および医療イン・ビボタスクの実行においても、関心がもたれる。

【0068】

現にある放射圧または熱泳動ベースのアプローチは、数ピコ−ニュートンを超えない比較的小さな力を生じる。本発明者らは、光エネルギーを水に浸漬されたミクロンサイズの物体の運動エネルギーに直接転換する方法を見出した。そのアプローチは、熱を輸送し、他の形態のエネルギーに転換する際の効率的な相転移および、ミクロンサイズの物体がメートル／秒の先例のない高速、またはマイクロ−ニュートンの等価力でそれらに作用するように駆り立てることができる気泡動力学の猛威を基礎とする。これらの性能指数は双方とも、今まで得られたものよりも６桁も大きい。

【0069】

さらに、提案したアプローチは、気泡が最初に出現してから数十マイクロ秒後には、気泡の痕跡も残らない点で、可逆的である。今回の実験は、気泡収縮の初期および最終段階での数マイクロ秒を除き、そのプロセスは断熱的であり、すなわち、それは最小限のエネルギー散逸で起こる。

【0070】

記載され、特許請求された装置および方法が提供する機会は、その透明表面に当たる光の強度に依存して半透明であることから透明になる二元変換を経験する無秩序光デバイスの実現により実証されている。本件における運動の指向性は、およそ５０μｍの金属コートガラスマイクロ球体の形態の大きな対称な対象物の各表面に光を集光することによって達成されたことに言及することが重要である。しかしながら、本発明は、太陽エネルギー転換装置および方法に限定されず、例えば、医療デバイスおよび手順、マイクロ流体、ロボティクスおよび軍事用途などにおける、光を用いた粒子の移動を要求するいかなる他の装置および方法に用いることができることも言及すべきである。

【0071】

本願の特定の特徴がここで例示され記載されてきたが、多くの修飾、置換、変更、および等価物が、当業者には明らかである。それゆえ、添付される特許請求の範囲は、本願の真の概念に収まるそのような全ての修飾および変更も包含することを意図すると理解されるべきである。

【実施例】

【0072】

実験設定およびサンプル調製
図１０は、実験設定のシステムを概略的に示す。４０５−ｎｍダイオードレーザー（Ｌ）からの照射は、４５°ミラー（Ｍ）および対称レンズＮｅｗｐｏｒｔ社Ｍ−２０ｘ０．４ＮＡ（Ｏ１）によってサンプル上に集光する。サンプルからの透過光は、撮像および透過力測定のために、第２の対称レンズＬｅｉｃａ社Ａｃｈｒｏ４／０．１（Ｏ２）によって収集する。２つの１０：９０および５０：５０ビームスプリッター、それぞれ、ＢＳ１およびＢＳ２を用いて、透過光を出力計（ＰＭ）に向け、撮画像ビデオカメラ（Ｃ）の背面サンプル照射のために、イルミネーター（ＩＬ）からの光をサンプルに向ける。撮像は、このカメラ（Ｃ）で行う。ロングパスフィルター（ＬＰ）を用いて、望ましくないレーザー光がカメラに到達することを妨げる。

【0073】

様々なカメラを実験全体で用いた。例えば、図６の画像は、米国Ｖｉｓｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社からの高速カメラＰｈａｎｔｏｍ ｖ１２１１で取得した。ロングパスフィルターＴｈｏｒｌａｂｓ社ＦＥＬ０５００（ＬＰ）は、望ましくないレーザー光がそれらのカメラに到達することを妨げた。サンプルは、拡大概略も図面に表しているが、米国Ｃｏｓｐｈｅｒｉｃ社からの２００ｎｍ薄層で被覆されたガラスマイクロ球体、製品番号ＳＬＧＭＳ−ＡＧ−２．５ ４３−６２μｍで構成される。調べた典型的なマイクロ球体（マイクロ粒子）の直径は、４０μｍから６０μｍの間で変化する。

【0074】

マイクロ球体は、乾燥粉末で入手するが、後で、蒸留水に浸して、２枚のガラスカバースライドの間に配置した。例えば、図７の結果をもたらす実験において、スライドを分離することが必要であれば、９０μｍプラスチック分離フィルター（スペーサーシート）を２枚の透明ガラススライド間に挿入した。高速ビデオ測定に関して、各フレームは１２８ｘ３２ピクセルからなり、１．８μｓ（各フレーム間２μｓ）の露出で毎秒５００，０００フレームの速度を可能とする。図６に示す画像は、球体運動のより明瞭な視界のため、スライド間の分離フィルターなしに取得したが、その代わり、幾分抑圧されている。

【0075】

気泡半径およびマイクロ球体位置
図７ａ〜ｂは気泡半径および球体の位置を示す。これらは、所望の特性を、最初の１８フレームを図６に示す連続画像に配分することによって得た。図１１は、気泡が最初に検出されてからの様々な時間間隔での気泡半径およびマイクロ球体位置を示す図６の拡大版である。緑色の十字は球体の初期位置を示し、球体のその後の運動や、収縮し、その後消失する気泡の変位の参照として機能とする。中心に十字がある黄色のマルは、様々な時間間隔での球体の位置を示す。最終的に、気泡は、中心が白十字で示される白マルでハイライトされている。マイクロ球体は、プロセスの間、著しく移動（進行）しているが、気泡は、反対方向にほんのわずかに移動するだけであることは興味深い。

【0076】

気泡拡張の統計
個々の事象間の変動は、球形気泡の運動力学について、結果とレイリー・プレセットモデルとの有用な比較を容易にすることを困難にする。これらの変動は、マイクロ球体の不完全性と合わさって、関与する相転移の爆発特性に由来する。設定は、何回も何回も繰り返して正確な位置で所与のマイクロ球体を励起することを可能としないので、同一のマイクロ球体が繰り返して励起されず、サブセットの結果は、類似するＥＭＭＥＴ事象に対応するように選択された。ここで、「類似」とは、所与のマイクロ球体上の正確に同一の位置に集光されたレーザーを有することである。

【0077】

図１２は、同一のマイクロ球体に対して行われた５３試験についての最大気泡半径のヒストグラムを示す。気泡半径は、９０から１００μｍの気泡半径を中心とする正規分布に近似するようである。いずれの２つの事象も似ていないが、同一の位置にレーザーを集光することは、互いにかなり類似する気泡をもたらすと仮定することが可能である。それゆえ、最も可能性のある結果を、図８に示す分析のため、代表的なサブセットの事象として選ぶ。これらは、９６．２から９８．６μｍの間の最大半径を達成する８つの気泡である。図８中のエラーバーは、このサブセット内の変動を示す。サブセットの定義は、最大気泡半径での小変動を規定し、最後のデータポイントの小変動についての理由は予測できず、その由来は不明のままである。

【0078】

加熱期間の持続時間および温度分布の刺激
高速カメラも用いて、最大レーザーパワーの１００ｍＷにて加熱時間を測定した。測定は、Ｘｉｍｅａ社ＭＱ００３ＭＧ−ＣＭカメラを用いる一連のフレームをキャプチャーすることにより行い、マイクロ球体が動き始めるまで、レーザーでマイクロ球体を加熱し続けた。レーザーは、米国Ｔｈｏｒｌａｂｓ社からの機械式シャッターＳＨＢ０５をきっかけとした。画像は、毎秒１３１８および２３９８フレームの速度でキャプチャーした。得られた典型的な加熱時間は、この場合、３ミリ秒であり、それは、ＣＯＭＳＯＬ社Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓツールでのレーザー加熱によるビーズおよびその周辺の温度の有限要素シミュレーションでも確認した。

【0079】

シミュレーションのため、２００ｎｍ銀で被覆された４０μｍガラス球体を考慮した。４０５−ｎｍレーザーは、１００ｍＷ出力で、反応性リフレクターの下部からマイクロ球体を加熱した。ビームウエストは２０μｍであり、そのビームは、マイクロ球体の垂直軸の１０ｎｍ右に集光した。図１３は、２００ｎｍ銀で被覆された５０−ｍｍガラスマイクロ球体およびその周囲の断面に沿った、３ミリ秒の加熱後の温度分布のシミュレーションを示す。熱は、球体の対称軸の１０ｍｍ右側を中心とする２０ｍｍウエストを持つ１００ｍＷ光線の光吸収によって供給される。熱源に近い水塊は６５０Ｋで臨界温度に達し、上記の加熱期間の測定と一致したことは注目に値する。また、シミュレーションは、その時間までに、マイクロ球体周囲に均等に分布しないことを示している。これは、レーザーがマイクロ球体を加熱しているときは気泡が常に現れるという観察と一致する。

【0080】

等価力の算定
図５は、毎秒２５フレームの速度にて通常カメラでキャプチャーしたＥＭＭＥＴ事象を示す。マイクロ球体が包囲し、移動の持続時間の上限値を有する距離が分かれば、力の下限値は、下式

【0081】

【数15】

（式中、ΔｘおよびΔｔは、距離および運動の持続時間であり、

【0082】

【数16】

はマイクロ球体の質量である。）から得られる。また、マイクロ球体の密度および半径は、それぞれ、ρおよびｒで与えられる。

【0083】

本件において、マイクロ球体に対して、距離ｒ＝２０ｎｍはほぼガラスで専有されるので、ρ＝２５００ｋｇ／ｍ^３である。図５から、ビームは０．０４秒以下でおよそ４００μｍの距離移動し、それゆえ、この場合、力の下限値は２１ピコニュートンである。

【0084】

参考文献

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a-5b】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】