特開 2024-74330 スメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024074330

(43)【公開日】2024-05-31

(54)【発明の名称】スメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/00 20060101AFI20240524BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20240524BHJP

   F15B 21/06 20060101ALI20240524BHJP

【ＦＩ】

F03G7/00 H

B01J19/00 321

F15B21/06

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022185403

(22)【出願日】2022-11-21

(71)【出願人】

【識別番号】513067727

【氏名又は名称】高知県公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】100134979

【弁理士】

【氏名又は名称】中井 博

(74)【代理人】

【識別番号】100167427

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】辻 知宏

(72)【発明者】

【氏名】蝶野 成臣

【テーマコード（参考）】

3H082

4G075

【Ｆターム（参考）】

3H082AA30

3H082CC05

3H082DD13

3H082EE20

4G075AA13

4G075AA27

4G075AA39

4G075BB10

4G075CA02

4G075CA03

4G075DA02

4G075DA18

4G075EA06

4G075EB01

4G075EB50

4G075FB11

(57)【要約】

【課題】界面力を強くでき微細物質の精密な操作に利用可能であるスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータを提供する。
【解決手段】スメクティック液晶Ｓと、スメクティック液晶Ｓ中に、液体状態の等方相ＩＰと液晶状態の液晶相ＳＰとの界面Ｆを発生させる界面発生手段２と、を備えている。スメクティック液晶Ｓ中に等方相ＩＰと液晶相ＳＰとの界面Ｆを発生させれば、その界面Ｆによって物体を保持したり移動させたりすることが可能になる。しかも、界面力を大きくできるので、物体を保持したり移動させたりする能力を高くできる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スメクティック液晶と、
該スメクティック液晶中に、液体状態の等方相と液晶状態の液晶相との界面を発生させる界面発生手段と、を備えている
ことを特徴とするスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ。

【請求項2】

前記スメクティック液晶は、
前記液体状態の等方相と前記液晶状態の液晶相との界面力が７５ｎＮ以上である
ことを特徴とする請求項１記載のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ。

【請求項3】

前記スメクティック液晶が、4-cyano-4’-dodecybiphenylである
ことを特徴とする請求項２記載のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ。

【請求項4】

前記界面発生手段は、
前記スメクティック液晶の界面を移動させる機能を有している
ことを特徴とする請求項１、２または３記載スメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ。

【請求項5】

前記スメクティック液晶に接触した状態で配置される移動部材を備えている
ことを特徴とする請求項４記載のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータに関する。さらに詳しくは、スメクティック液晶と等方相の界面における界面力を利用したマイクロマニピュレータに関する。

【背景技術】

【0002】

液晶性の物質は、分子が等方（無秩序）となった液体状態（等方相）と、分子が一定の方向に配向した液晶状態（液晶相）を取ることができ、等方相と液晶相とが液晶相とが界面を挟んで同時に存在する状態を取ることができる。かかる界面では、マイクロスケールの物体を液晶相から等方相に排除しようとする力（以下単に界面力という場合がある）が発生する。例えば、ネマティック液晶相と等方相との間に発生する界面力は、ネマティック液晶相領域の分子配向場の乱れから生じ、ネマティック液晶相領域はマイクロスケールの物体を等方相領域へ排除するように働く。

【0003】

かかるネマティック液晶相と等方相との間に発生する界面力を利用した技術として、特許文献１の技術が開発されている。具体的には、4-pentyl-4’-cyanobiphenyl等のネマティック液晶中に温度勾配を発生させることによって液晶相と等方相の界面（相転移領域）を形成し、ネマティック液晶中の温度勾配を変化させて界面移動させることによって、ネマティック液晶中の物体を相転移領域とともに移動させることができる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－７１３００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、生体細胞や微小粒子などの微細物質の精密な操作を行う技術として、ＭＥＭＳを利用した技術が開発されているが、これらの技術でも微細物質の精密な操作には十分とはいえず、より適切に微細物質の精密な操作を行う技術が求められている。

【0006】

例えば、特許文献１の技術のように液体－液晶間相転移を利用する方法を微細物質の精密な操作に利用することも有力である。しかし、特許文献１に開示されているネマティック液晶は、棒状（あるいは円盤状）の分子が配向秩序を持つが、位置の秩序は持たないという性質を有するので界面力が比較的弱い。より界面力の強いものが得られれば、微細物質の精密な操作する上では好ましい。

【0007】

本発明は上記事情に鑑み、界面力を強くでき微細物質の精密な操作に利用可能であるスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

第１発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータは、スメクティック液晶と、該スメクティック液晶中に、液体状態の等方相と液晶状態の液晶相との界面を発生させる界面発生手段と、を備えていることを特徴とする。
第２発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータは、第１発明において、前記スメクティック液晶は、前記液体状態の等方相と前記液晶状態の液晶相との界面力が７５ｎＮ以上であることを特徴とする。
第３発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータは、第２発明において、前記スメクティック液晶が、4-cyano-4’-dodecybiphenylであることを特徴とする。
第４発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータは、第１、第２または第３発明において、前記界面発生手段は、前記スメクティック液晶の界面を移動させる機能を有していることを特徴とする。
第５発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータは、第４発明において、前記スメクティック液晶に接触した状態で配置される移動部材を備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

第１～第３発明によれば、スメクティック液晶中に等方相と液晶相との界面を発生させれば、その界面によって物体を保持したり移動させたりすることが可能になる。しかも、界面力を大きくできるので、物体を保持したり移動させたりする能力を高くできる。
第４、第５発明によれば、界面を移動させれば移動部材を移動させることができるので、相転移のためのエネルギを運動エネルギとして利用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施形態のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ１の概略説明図であって、（Ａ）はスメクティック液晶Ｓ上に移動部材ＭＰが載せられている状態の概略断面図であり、（Ｂ）は移動部材ＭＰにおける接触面の概略説明図であり、（Ｃ）はスメクティック液晶Ｓ中の温度勾配Ｔｇを示した図である。

【図2】界面Ｆを移動させて移動部材ＭＰを移動させる状況の概略説明図である。

【図3】他の実施形態のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ１の概略説明図であって、（Ａ）は概略側面図であり、（Ｂ）は界面Ｆによって微粒子が保持された状態の概略説明図であり、（Ｃ）は微粒子が界面Ｆを通過した状態の概略説明図である。

【図4】実験装置の概略説明図である。

【図5】（Ａ）、（Ｂ）は実施例１（１２ＣＢ）の実験結果を示した図であり、（Ｃ）、（Ｄ）は比較例１（８ＣＢ）の実験結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
なお、図１～図３では、各部の構成を分かりやすくするために、各部の相対的な寸法は実際のものと一致していない。

【0012】

＜本実施形態のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ１＞
まず、図１～図３に基づいて、本実施形態のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ１（以下では単に本実施形態のマイクロマニピュレータ１という場合がある）を説明する。

【0013】

なお、図１および図２では、スメクティック液晶Ｓが固定プレートＢＰ上に配置されている場合を示しているが、本実施形態のマイクロマニピュレータ１を適用する装置では、スメクティック液晶Ｓを配置する部材は特に限定されない。例えば、図３に示すように、スメクティック液晶Ｓは、箱状の部材１０内に収容された状態としてもよく、とくに限定されない。

【0014】

＜界面発生手段２＞
図１に示すように、固定プレートＢＰの下面には、界面発生手段２が設けられている。この界面発生手段２は、スメクティック液晶Ｓ中に温度勾配を発生させて、液晶相ＳＰと等方相ＩＰ（つまり液体状態の相）とを生じさせて、両者の間に界面Ｆ（相転移領域）を発生させる機能を有している。

【0015】

この界面発生手段２は、ヒータなどの加熱部３と、チラー等の冷却部４と、を備えている。加熱部３は、固定プレートＢＰを介してスメクティック液晶Ｓを加熱することができるものであり、少なくとも、スメクティック液晶Ｓを、その液晶相ＳＰ－等方相ＩＰ間の相転移温度Ｔｃよりも高い温度まで加熱できる機能を有するものである。また、冷却部４は、固定プレートＢＰを介してスメクティック液晶Ｓを冷却することができるものであり、前記加熱部３からある程度離間した位置に配置されている。この冷却部４は、少なくとも、スメクティック液晶Ｓを、その液晶相ＳＰ－等方相ＩＰ間の相転移温度Ｔｃよりも低い温度まで冷却できる機能を有するものである。そして、加熱部３および冷却部４は、両者の温度を調整してスメクティック液晶Ｓ中に形成される温度勾配を調整する制御部５に連結されている。

【0016】

したがって、界面発生手段２の制御部５によって加熱部３による加熱と冷却部４による冷却を調整すれば、スメクティック液晶Ｓ中の所望の位置に界面Ｆを発生させることができるし、界面Ｆを移動させることも可能になる。

【0017】

なお、界面発生手段２は、スメクティック液晶Ｓ中に液晶相ＳＰと等方相ＩＰとを生じさせて、両者の間に界面Ｆを発生させる機能を有していればよく、上述したような一方に加熱部３を設けて他方に冷却部４を設ける方法に限定されない。例えば、図１における加熱部３と冷却部４に対応する部分の両方に加熱冷却装置（例えばペルチェ素子）を設けて加熱位置と冷却位置を変更できるようにする方法も採用できる。また、界面発生手段２として、スメクティック液晶Ｓに磁場や電場を加えることができるものを採用してもよい。つまり、等方状態のスメクティック液晶Ｓに磁場や電場を加えてスメクティック液晶Ｓ中に強制的に高分子配向状態を発生させるものを界面発生手段２としてもよい。かかる界面発生手段２であれば、等方状態のスメクティック液晶Ｓ中に磁場や電場によって液晶相ＳＰを発生させて界面Ｆを発生させることができる。しかも、磁場や電場を加える位置や強度を調整すれば、界面Ｆの発生する位置を調整できるので、界面Ｆを設ける位置の自由度を高くすることができる。

【0018】

＜スメクティック液晶Ｓについて＞
本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、スメクティック液晶Ｓを使用している。このスメクティック液晶Ｓは、ネマティック液晶が棒状（あるいは円盤状）の分子でありしかも配向秩序を持つが位置の秩序は持たないという性質を有していたのに対し、スメクティック液晶は層状構造を有する分子でありしかも配向秩序に加えて位置の秩序も有するという性質を有している。このため、スメクティック液晶は、液晶相ＳＰと等方相ＩＰとの間の界面Ｆにネマティック液晶よりも大きな界面力を発生させることができる。

【0019】

以上のごとき構成であるので、図１（Ａ）に示すように、加熱部３によってスメクティック液晶Ｓの一部（図１（Ａ）では右側の領域）を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却部４によってスメクティック液晶Ｓの一部（図１（Ａ）では左側の領域）を相転移温度Ｔｃより低温に冷却することができる。すると、スメクティック液晶Ｓ内には、右側の領域から左側の領域に向かって温度が低下する温度勾配Ｔｇが形成され、相転移温度Ｔｃより高温では液体（等方相）、相転移温度Ｔｃより低温では液晶（液晶相）となるので、スメクティック液晶Ｓ内には、右側に等方相ＩＰの領域、左側に液晶相ＳＰの領域が形成され、両領域の間に界面Ｆが形成される。

【0020】

そして、界面発生手段２の制御部５によって冷却部４がスメクティック液晶Ｓから奪う熱エネルギと加熱部３からスメクティック液晶Ｓに供給する熱エネルギとを調整すれば、スメクティック液晶Ｓ中に形成させる温度勾配Ｔｇを自由に調整することができる。したがって、加熱部３の温度や冷却部４の温度を調整するだけで、冷却部４と加熱部３との間に形成される界面Ｆの位置を調整できる。つまり、加熱部３の温度や冷却部４の温度を調整するだけで、界面Ｆを所望の位置に発生させることができるし、界面Ｆを所望のタイミングで所望の方向、所望の速度で移動させることもできる。

【0021】

＜本実施形態のマイクロマニピュレータ１の使用方法＞
本実施形態のマイクロマニピュレータ１は、例えば、図３に示すように、鉛直方向に延びる容器１０などにスメクティック液晶Ｓを収容しておき、この容器１０の側面に上述した固定プレートＢＰと界面発生手段２とを設けてもよい。具体的には、容器１０の側面と固定プレートＢＰとが面接触するように配置し、固定プレートＢＰの上部に加熱部３を設け、固定プレートＢＰの下部に冷却部４を設ける。すると、加熱部３による加熱と冷却部４による冷却とを行えば、容器１０内のスメクティック液晶Ｓには、上部に等方相ＩＰ、下部に液晶相ＳＰ、その間に界面Ｆが形成される。この状態で容器１０の上部からスメクティック液晶Ｓに物体Ｐを投入すると、物体Ｐは重力によって等方相ＩＰ内を沈降する。やがて、物体Ｐが界面Ｆに到達すると、界面Ｆには物体Ｐの質量、重力、体積、表面積等によって定まる力（以下貫通力ＦＰという）が加わる。すると、貫通力ＦＰが界面Ｆの界面力よりも大きければ、物体Ｐは界面Ｆを破って液晶相ＳＰに侵入し（図３（Ｃ）参照）、貫通力ＦＰが界面Ｆの界面力よりも大きければ、物体Ｐは界面Ｆ上にとどまることなる（図３（Ｂ）参照）。

【0022】

したがって、本実施形態のマイクロマニピュレータ１を使用すれば、物体Ｐに応じて界面Ｆの位置に物体Ｐを留めたり、物体Ｐを界面Ｆより下方に排出したりすることができる。また、界面発生手段２の制御部５によって加熱部３による加熱と冷却部４による冷却を制御すれば、その界面Ｆの位置を調整して所望の位置（高さ）に物体Ｐを保持したり、物体Ｐを所望の位置（高さ）になるように移動させたりすることができる。

【0023】

しかも、本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、スメクティック液晶Ｓを使用しているので、ある程度大きな貫通力ＦＰが加わっても物体Ｐが界面Ｆを貫通することを防止できる。例えば、スメクティック液晶Ｓとして、4-cyano-4’-dodecybiphenyl（１２ＣＢ）を使用した場合には、物体Ｐの比重が極めて大きい場合（例えば、密度１５．６３g／ｃｍ^３以上の微粒子）でも、物体Ｐの保持や移動を適切に実施することができる。

【0024】

＜移動部材ＭＰについて＞
図１に示すように、本実施形態のマイクロマニピュレータ１は、スメクティック液晶Ｓ上に移動部材ＭＰを載せてこの移動部材ＭＰを移動させるようにしてもよい。

【0025】

この移動部材ＭＰは、例えば、平板などであるが、その形状などはとくに限定されない。この移動部材ＭＰは、その接触面（図１では下面）がスメクティック液晶Ｓと接触するように配設されており、しかも、スメクティック液晶Ｓと接触した状態を維持したまま所定の移動方向に沿って移動できるように保持されている。例えば、図２であれば、後述する界面Ｆは左右方向に移動するが、移動部材ＭＰも左右方向に沿って、スメクティック液晶Ｓと接触したまま移動することができるように保持されている。

【0026】

そして、移動部材ＭＰの接触面には、液晶相ＳＰ状態のスメクティック液晶Ｓと接触すると、スメクティック液晶Ｓの液晶相ＳＰの状態を乱す処理、つまり、液晶相ＳＰ中の液晶分子の配向を乱す処理ａ（以下、欠陥処理ａという）が施されている。例えば、液晶相ＳＰ状態のスメクティック液晶Ｓと接触すると、スメクティック液晶Ｓ中の分子配向場のエネルギが増加するようなラビング処理が施されている。具体的には、垂直配向処理や平行配向処理、あるいはそれらの複合処理等をラビング処理として挙げることができる。

【0027】

なお、移動部材ＭＰ自体、または、移動部材ＭＰにおいてスメクティック液晶Ｓと接触する部分を、液晶相ＳＰ状態のスメクティック液晶Ｓと接触するとスメクティック液晶Ｓ中の分子配向場のエネルギが増加するような物質で構成しても、同様の効果を得ることができる。例えば、移動部材ＭＰの表面に上記物質の層を設けるなどの処理を行ってもよい。液晶相ＳＰ状態のスメクティック液晶Ｓと接触するとスメクティック液晶Ｓ中の分子配向場のエネルギが増加するような物質は、例えば、ポリスチレンや界面活性剤などを挙げることができるが、とくに限定されない。

【0028】

とくに、欠陥処理ａは、液晶相ＳＰ状態のスメクティック液晶Ｓと接触すると、スメクティック液晶Ｓ中に液晶欠陥を形成し得る処理であることが好ましい。この場合には、移動部材ＭＰが液晶相ＳＰに接触したときに、液晶相ＳＰに形成される乱れが最も大きくなるので、移動部材ＭＰの移動を界面Ｆの移動により追従させやすくなる。液晶欠陥を形成し得る処理は、例えば、モータ等の回転機構を用いた円形ラビング処理を挙げることができるが、とくに限定されない。

【0029】

＜移動部材ＭＰを移動させる手順＞
つぎに、上記のごとき本実施形態のマイクロマニピュレータ１において、移動部材ＭＰを移動させる方法を説明する。

【0030】

まず、加熱部３によってスメクティック液晶Ｓの一部を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却部４によってスメクティック液晶Ｓの一部を相転移温度Ｔｃより低温に冷却して、スメクティック液晶Ｓ中に界面Ｆが形成されるように調整する。そして、移動部材ＭＰを液体相ＩＰ上に配置する。

【0031】

ついで、加熱部３および冷却部４を制御して、スメクティック液晶Ｓ中の最高温度はそのままで、最低温度を低下させる。図２（Ａ）であれば、左側の領域の温度を下げる。すると、スメクティック液晶Ｓ中の温度勾配はその傾きが大きくなり、相転移温度Ｔｃとなる位置が液体相ＩＰ側に移動する。すると、液体相ＩＰの領域では、相転移温度Ｔｃとなる位置の移動にともなって界面Ｆも液体相ＩＰ側に移動する。

【0032】

界面Ｆが、移動部材ＭＰに到達（または移動部材ＭＰにおいて欠陥処理ａが行われている部分）に到達すると、移動部材ＭＰは界面Ｆとともに移動する（図２（Ａ）～（Ｃ））。つまり、スメクティック液晶Ｓに加える熱エネルギを調整して、スメクティック液晶Ｓの温度勾配Ｔｇを変化させる、言い換えれば、界面Ｆを移動させれば、スメクティック液晶Ｓ中と接触している移動部材ＭＰを移動させることができる。

【0033】

したがって、本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、スメクティック液晶Ｓ中に液体相ＩＰの領域と液晶相ＳＰの領域とを形成し、スメクティック液晶Ｓの温度勾配Ｔｇを変化させて界面Ｆを液体相ＩＰに向かって移動させれば、液体相ＩＰ上の移動部材ＭＰを、界面Ｆの移動する方向に沿って界面Ｆとともに移動させることができる。

【0034】

しかも、本実施形態のマイクロマニピュレータ１では、スメクティック液晶Ｓを使用しているので、移動部材ＭＰが比重が大きい場合（密度１５．６３g／ｃｍ^３以上）の場合でも、移動部材ＭＰを適切に移動させることができる。

【0035】

なお、移動部材ＭＰには必ずしも欠陥処理ａを設けなくてもよい。欠陥処理ａを設けなくても、移動部材ＭＰと界面Ｆとが接触すれば、界面Ｆとともに移動部材ＭＰを移動させることができる。しかし、上記のような欠陥処理ａを移動部材ＭＰに行っておけば、移動部材ＭＰを効果的に移動させることができる。

【0036】

欠陥処理ａを移動部材ＭＰに行った場合には、以下のような理由で、移動部材ＭＰを効果的に移動させることができる。
液晶相ＳＰ中では、全液晶分子がある方向に配向した状態で存在しているのに対し、液体中では分子が無秩序な状態（等方状態）で存在している。すると、移動部材ＭＰにおいて欠陥処理ａが施されていると、スメクティック液晶Ｓと移動部材ＭＰを含む系全体では、移動部材ＭＰにおいて欠陥処理ａが液晶相ＳＰ中に存在するよりも移動体ｍが液体相ＩＰ中に存在する方がエネルギ的に低い状態をとることになる。なぜなら、欠陥処理ａによって、液晶相ＳＰ中の液晶分子の配向が乱されるからである。
すると、界面Ｆが液晶相ＳＰ側から液体相ＩＰ側に移動する場合、移動部材ＭＰにおいて液体相ＩＰと接している接触面の欠陥処理ａによって液晶相ＳＰ中に配向の乱れが生じないように、移動部材ＭＰが液体相ＩＰと接触した状態を維持し続けようとする。言い換えれば、スメクティック液晶Ｓと移動部材ＭＰを含む系がエネルギ的に低い状態を維持しようとするために、移動部材ＭＰが液体相ＩＰと接触した状態を維持し続けようとする。このため、界面Ｆが液晶相ＳＰ側から液体相ＩＰ側に移動する場合には、移動部材ＭＰに欠陥処理ａを施していれば、界面Ｆの移動により移動部材ＭＰを効果的に移動させることができる。

【0037】

とくに、スメクティック液晶Ｓが液晶相ＳＰになったときにおける液晶分子の配向を拘束する拘束手段を設けておけば、液晶分子の配向を拘束する力が強くなり、界面Ｆの移動に伴う移動部材ＭＰの移動が生じやすくなるので、好適である。

【実施例0038】

本発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータでは、界面力が大きく物体を保持する機能が高いことを実験によって確認した。

【0039】

実験では、以下の３種類のサーモトロピック液晶材料について、球状粒子を重力によって界面に落下させることによって界面力を比較した。

【0040】

使用した３種類のサーモトロピック液晶材料を以下に示す。
なお、密度、粘度、相転移温度は、実施例１ではスメクティック液晶相―等方相の密度、粘度、相転移温度であり、比較例１ではネマティック液晶相―スメクティック液晶相の密度、粘度、相転移温度であり、比較例２ではネマティック液晶相―等方相の密度、粘度、相転移温度である。

＜実施例１＞
4-cyano-4’-dodecybiphenyl（１２ＣＢ）
密度：１０００ｋｇ／ｍ^３ 粘度：０．０２Ｐａ・ｓ 相転移温度：５８．５℃
＜比較例１＞
4-cyano-4’-octylbiphhenyl（８ＣＢ）
密度：９８９ｋｇ／ｍ^３ 粘度：０．１０Ｐａ・ｓ 相転移温度：３３．５℃
＜比較例２＞
4-cyano-4’-pentybiphhenyl（５ＣＢ）
密度：１００８ｋｇ／ｍ^３ 粘度：０．０２３Ｐａ・ｓ 相転移温度：３５．２℃

【0041】

実験で使用した球状粒子は、以下の２つの球状粒子である。

１）ポリスチレン粒子 ： 密度 １．１９ g/cm^３ 直径 １００μｍ
２）ガラス粒子 ： 密度 ２．５ g/cm^３ 直径 １００μｍ
３）タングステンカーバイド 粒子 ： 密度１５．９３ g/cm^３ 直径 １００μｍ

【0042】

実験は、図４に示す装置で実施した。
図４に示すように、２６ｍｍ×７６ｍｍの角型スライドガラス板をスペーサーによって角型スライドガラス板間のギャップＬが１８８μｍとなるように配置し、この隙間に球状粒子を混入した各液晶を配置して実験用セルを形成した。なお、角型スライドガラス板の対面する表面にはアンカー処理によって、ホメオトロピックアンカー層（ＪＳＲ ＪＡＬＳ－２０２１－Ｒ２５：ＡＬ６０１０１）を形成した。
この実験用セルを、一対の高導電性銅板と、一対の上側高導電性銅板および一対の下側高導電性銅板で挟み、一対の上側高導電性銅板および一対の下側高導電性銅板にはそれぞれペルチェモジュールを取り付けた。このペルチェモジュールの温度を、ＰＩＤコントローラー（セルシステム株式会社：ＴＤＣ ２０１０）によって０．０３Ｋ精度で制御し実験用セル内の液晶の温度分布を調整し、セル内の液晶に水平な界面を出現させた。

【0043】

実験は以下の方法で実施した。
まず、実験用セルを水平に設置した。つまり、一対の高導電性銅板の表面が水平になるように実験用セルを配置した。その状態で、液晶に混入した球状粒子の位置を一定になるように保持した。
ついで、一対の上側高導電性銅板の下端温度ＴＵ（以下単にＴＵという）および一対の下側高導電性銅板の上端温度ＴＬ（以下単にＴＬという）を、一旦、液晶相の温度が安定する温度に設定した後、ＴＬを相転移温度より低くし、ＴＵとＴＬの平均が相転移温度とほぼ等しくなるように調整し、実験用セルの中間（図４では上下方向の中間）に界面を出現させた。
その後、実験用セルの姿勢を垂直に変化させて、球状粒子を重力によって落下させた。つまり、一対の高導電性銅板の表面が鉛直になるように実験用セルを配置して、球状粒子を界面に向かって重力によって沈降させた。
そして、球状粒子が界面に向かって重力によって沈降する状況を、偏光顕微鏡にビデオカメラ（ＩＤＳ：ＵＩ－３３６０ＣＰ－Ｃ－ＨＱ）と対物レンズ（Ｎｉｋｏｎ：２０Ｘ／０．３５）を取り付けた撮影装置によって撮影した。撮影した画像を画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ）を用いて解析し、球状粒子および界面の動きおよびその変位を確認した。

【0044】

以下に実験結果を示す。

【0045】

＜粒子の移動＞
図５に実験結果を示す。なお、画像において、上方が等方相またはネマティック液晶相であり下方がスメティック液晶相であり、両者の間の部分が界面になる。また、落下する球状粒子の底面が見かけ上界面に接触した時間を時間ｔ＝０ｓと定義している。

【0046】

図５（Ａ）、（Ｂ）は実施例１（１２ＣＢ）の実験結果を示している。図５（Ａ）はＴＵ =６３．０℃と ＴＬ＝ ５３．５ ℃とした場合におけるタングステン粒子が等方相からスメティック液晶相-等方相の界面に向かって沈降する偏光顕微鏡画像の時系列を示したものであり、図５（Ｂ）はＴＵ =６３．０℃と ＴＬ＝ ５３．５ ℃とした場合におけるタングステン粒子およびスメティック液晶相-等方相の界面の位置の変化を示したグラフである。

【0047】

図５（Ａ）に示すように、実施例１（１２ＣＢ）では、タングステン粒子はｔ＝０ｓでスメクティック液晶相－等方性の界面に接触し、その後、ｔ＞１．２ｓでは、界面のゆがみ（凹み）は生じるが、タングステン粒子が界面に保持されていることが確認できる。

【0048】

また、図５（Ｂ）に示すように、タングステン粒子は高密度であるため、沈降が速く急速に界面に接近するが、タングステン粒子の終端速度が速いにもかかわらず、界面の界面力によってタングステン粒子が減速されていることが確認できる。つまり、スメクティック液晶相と等方相の界面は、界面上に衝突するタングステン粒子を保持するのに十分な強度（界面力）を有していることが確認できる。

【0049】

一方、図５（Ｃ）、（Ｄ）は比較例１（８ＣＢ）の実験結果を示している。具体的には、図５（Ｃ）はＴＵ =３７．５℃と ＴＬ＝ ２８．０ ℃とした場合におけるポリスチレン粒子がネマティック液晶相からスメティック液晶相-ネマティック液晶相の界面に向かって沈降する偏光顕微鏡画像の時系列を示したものであり、図５（Ｂ）はＴＵ =３７．５℃と ＴＬ＝ ２８．０ ℃とした場合におけるポリスチレン粒子がスメティック液晶相-ネマティック液晶相の位置の変化を示したグラフである。

【0050】

図５（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、比較例１（８ＣＢ）では、ポリスチレン粒子はｔ＝０ｓでスメクティック液晶相－等方性の界面に接触している。しかし、界面に接触する速度は、実施例１のタングステン粒子に比べて小さい。そして、ｔ＝８１．９ｓではポリスチレン粒子によって界面が破壊されて、ポリスチレン粒子が界面を貫通していることが確認できる。つまり、スメティック液晶相-ネマティック液晶相の界面は、実施例１で使用したタングステン粒子に比べて貫通力の小さいポリスチレン粒子でさえも保持する界面力を有しないことが確認できる。

【0051】

＜界面力の評価＞
球状粒子に作用する界面力の最大値を評価した。

【0052】

界面において球状粒子に働く力は、界面力Ｆｉ、重力Ｆｇ、浮力Ｆｂ、粘性抗力Ｆｄ、であるので、粒子の運動方程式は式１のように表すことができる。以下の式では、符号ｍと符号ν_ｐは粒子の質量と速度である。

＜式１＞
ｍdν_ｐ/dt=Ｆｉ-Ｆｇ＋Ｆｂ－Ｆｄ

【0053】

なお、球状粒子の落下速度と直径、液晶の粘性から推定されるレイノルズ数は小さく、粘性抗力にはストークスの法則が適用できるので、式１は式２のように書き直すことができる。ρ_ｐは粒子の密度、ρは液晶材料の密度、gは重力加速度、dは粒子の直径、μは液体の粘度である。

＜式２＞
Ｆｉ＝（ρ_ｐdν_ｐ/dt＋（ρ_ｐ－ρ）πｄ^３）／６＋３πｄμν_ｐ

【0054】

この式に実験で撮影された画像（図５（Ａ）、（Ｃ）参照）を解析して得られた粒子の速度ν_ｐおよび粒子の加速度dν_ｐ/dtを代入して、界面力Ｆｉを求めた。なお、粒子の速度ν_ｐおよび粒子の加速度dν_ｐ/dtは、画像イメージを解析したデータから３次関数を用いた Savitzky-Golay 法により算出した。

【0055】

なお、界面力の評価は、実施例１について上述した実験の画像から得られた粒子の速度ν_ｐおよび粒子の加速度dν_ｐ/dtを使用し、比較例１および比較例２についてはガラス粒子を使用した実験の画像から得られた粒子の速度ν_ｐおよび粒子の加速度dν_ｐ/dtを使用した。

【0056】

すると、比較例１の界面力は１．３±０．１ｎＮ、比較例２の界面力は５．５±０．８ｎＮ、であるのに対し、実施例１の界面力は７６．１ｎＮとなり、実施例１のスメクティック液晶相－等方性の界面の界面力は、比較例１、２の界面力に比べて大幅に大きいことが確認された。

【0057】

以上の結果より、スメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータでは、スメクティック液晶相－等方性の界面の界面力が大きく、物体の移動や保持する機能が高いことが確認できた。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明のスメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータは、微小な物体を移動させるマイクロマニピュレータに適用できる。

【符号の説明】

【0059】

１ スメクティック液晶を利用したマイクロマニピュレータ
２ 界面発生手段
３ 加熱部
４ 冷却部
１０ 容器
Ｓ スメクティック液晶
ＳＰ スメクティック液晶相
ＩＰ 等方相
Ｆ 界面
ＥＦ 電界

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】