液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法
【課題】熱エネルギによって物体を移動させることができる液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法を提供する。
【解決手段】液体状態と液晶状態とを取り得る物質Ｍと、物質Ｍ中に、相転移温度Ｔｃの相転移領域ＩＦを形成させる相転移領域形成手段と、を備えており、温度勾配形成手段は、物質Ｍ中において相転移温度Ｔｃの相転移領域ＩＦを移動させる相転移領域調整機能と、相転移領域ＩＦの移動速度を調整する移動速度調整機能とを有している。相転移領域形成手段によって、相転移温度Ｔｃの相転移領域ＩＦを液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に向かって移動させれば、物質Ｍの液体相Ｌに位置する移動体ｍを、相転移領域ＩＦが物体に対して液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動するときに、相転移領域ＩＦとともに液体相Ｌ側に移動させることができる。
【解決手段】液体状態と液晶状態とを取り得る物質Ｍと、物質Ｍ中に、相転移温度Ｔｃの相転移領域ＩＦを形成させる相転移領域形成手段と、を備えており、温度勾配形成手段は、物質Ｍ中において相転移温度Ｔｃの相転移領域ＩＦを移動させる相転移領域調整機能と、相転移領域ＩＦの移動速度を調整する移動速度調整機能とを有している。相転移領域形成手段によって、相転移温度Ｔｃの相転移領域ＩＦを液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に向かって移動させれば、物質Ｍの液体相Ｌに位置する移動体ｍを、相転移領域ＩＦが物体に対して液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動するときに、相転移領域ＩＦとともに液体相Ｌ側に移動させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法に関する。
4-pentyl-4’-cyanobiphenyl等，液晶性の物質は、分子が等方（無秩序）となった液体状態と、分子が一定の方向に配向した液晶状態を取ることができ、所定の温度（相転移温度）において液体状態と液晶状態との間で状態が可逆変化する。そして、かかる物質中に、相転移温度が含まれる温度勾配が存在した場合には、物質中に、液体相と液晶相とが界面を挟んで同時に存在する状態となる。
本発明は、かかる内部に液体相と液晶相とが界面が存在する物質における液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液晶は、液晶分子が配向することによってその光学的性質が変化するため、この性質を利用して液晶ディスプレー等の情報表示装置に使用されている。
また、液晶は、電界や磁界を加えて液晶分子の配向方向を変化させるとその粘性が変化する。つまり、液晶は、電気粘性流体としての性質も有しているので、この性質を利用した軸受やダンパー等が開発されている。
【０００３】
一方、液晶分子が配向するときには、配向の際に回転するので、液晶中には液晶流動が発生する。この液晶分子の回転に起因した液晶流動を工業的に利用する技術、具体的には、液晶流動によって物体を移動させる技術が開発されている（特許文献１）。
【０００４】
ところで、上記特許文献１の技術は、液晶が仕事をするためのエネルギとして、電磁力を利用しているが、熱エネルギを液晶に供給して物体移動などの仕事をさせることができれば有用であると考える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５８６７３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑み、熱エネルギによって物体を選別することができる液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法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】
【０００７】
第１発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、 液体状態と液晶状態とを取り得る物質と、該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させる相転移領域形成手段と、を備えており、該相転移領域形成手段は、前記物質中において相転移領域を移動させる相転移領域調整機能と、前記相転移領域の移動速度を調整する移動速度調整機能とを有していることを特徴とする。
第２発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１発明において、前記相転移領域形成手段が、前記物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させる温度勾配形成手段であることを特徴とする。
第３発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１または第２発明において、前記温度勾配形成手段は、前記物質を冷却する冷却手段と、該冷却手段に対して離間した位置に配設された、前記物質を加熱する加熱手段とを備えていることを特徴とする。
第４発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１または第２発明において、前記温度勾配形成手段は、前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させる機能を有することを特徴とする。
第５発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１、第２、第３または第４発明において、前記物質を収容する収容部材を備えており、該収容部材における前記物質と接触する面には、配向処理が施されていることを特徴とする。
第６発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法は、液体状態と液晶状態とを取り得る物質に対して、該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させ、前記物質中における相転移領域を移動させ、かつ、該相転移領域の移動速度を変化させることを特徴とする。
第７発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法は、第６発明において、前記物質中に相転移温度を含む温度勾配を形成させて、該物質中に前記相転移領域を形成させることを特徴とする。
第８発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法は、第６または第７発明において、前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１発明によれば、相転移温度の相転移領域を液晶相側から液体相側に向かって移動させれば、物質の液体相に位置する物体を、相転移領域が物体に対して液晶相側から液体相側に移動するときに、相転移領域とともに移動させることができる。しかも、相転移領域の移動速度を調整できるから、物質の液体相に位置する物体のうち、移動速度に追従できる物体のみを相転移領域とともに移動させることができ、移動速度に追従できない物体を液晶相側に残すことができる。よって、相転移領域の移動速度を調整すれば、液体層に存在する物体を選別することができる。
第２発明によれば、温度勾配形成手段によって物質に加える熱エネルギを調整すれば、物質中に相転移温度の相転移領域を形成することができるから、相転移領域を容易に形成することができる。
第３発明によれば、冷却手段が物質から奪う熱エネルギと、加熱手段から物質に供給する熱エネルギとを調整すれば、物質中に形成させる温度勾配を自由に調整することができる。よって、冷却手段と加熱手段との間に形成される相転移領域の位置及び移動速度の調整が容易である。
第４発明によれば、液晶相側と液体相側の位置を逆転させれば、相転移領域の移動方向を逆向きにすることができるから、選別した物体を互いに離間した位置に集めることができる。
第５発明によれば、物質が液晶になったときにおける液晶分子の配向を拘束する力が強くなるので、物体が相転移領域とともに移動しやすくなる。
第６発明によれば、相転移領域を液晶相側から液体相側に向かって移動させれば、物質の液体相に位置する物体を、相転移領域が物体に対して液晶相側から液体相側に移動するときに、相転移領域とともに移動させることができる。しかも、相転移領域の移動速度を調整できるから、物質の液体相に位置する物体のうち、移動速度に追従できる物体のみを相転移領域とともに移動させることができ、移動速度に追従できない物体を液晶相側に残すことができる。よって、相転移領域の移動速度を調整すれば、液体層に存在する物体を選別することができる。
第７発明によれば、物質に加える熱エネルギを調整すれば、物質中に相転移温度の相転移領域を形成することができるから、相転移領域を容易に形成することができる。
第８発明によれば、液晶相側と液体相側の位置を逆転させれば、相転移領域の移動方向を逆向きにすることができるから、選別した物体を互いに離間した位置に集めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の物体選別機構によって物体を選別する作業の概略説明図である。
【図２】本実施形態の物体選別機構によって物体を選別する他の作業の概略説明図である。
【図３】物体移動機構の概略説明図であって、（Ａ）は物質Ｍに移動体ｍが浸漬された状態の概略断面図であり、（Ｂ）は物質Ｍに移動体ｍが浸漬された状態の概略平面図であり、（Ｃ）は物質Ｍ中の温度勾配Ｔｇを示した図である。
【図４】（Ａ）は相転移領域ＩＦを液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側へ移動させる状況の概略説明図であり、（Ｂ）は相転移領域ＩＦを液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側へ移動させる状況の概略説明図である。
【図５】実施例の実験装置の概略説明図である。
【図６】相転移領域を移動させたときの状況を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の物体選別機構は、物質に熱エネルギを加えることによって物質中の物体を移動させて選別するものであり、物体の移動に、物質の液晶−液体間の界面の移動を利用し、かつ、界面の移動速度を利用して物体を選別するようにしたことに特徴を有している。
【００１１】
まず、物体選別機構の前提となる、物体の移動に、物質の液晶−液体間の界面の移動する物体移動機構および物体移動方法について、説明する。
【００１２】
図３において符号Ｍは、プレートＰ上に配置された物質Ｍを示している。この物質Ｍは、例えば、4-pentyl-4’-cyanobiphenylや4-methoxy-benzilidene-4-butyl-aniline等の温度を変えることによって液晶状態（図３中液晶層ＬＣで示す）を液体状態（図３中液体層Ｌで示す）との間で状態を変化させることができる物質を示している。
なお、図３では、物質ＭがプレートＰ上に配置されている場合を示しているが、本発明の物体選別機構を適用する装置では、物質Ｍを配置する部材は特に限定されない。例えば、物質Ｍは、一対の平板間に配置したり箱状の部材内に収容したりしてもよく、とくに限定されない。
【００１３】
図３において、符号ｍは物質Ｍに浸漬されている物体を示している。この物体ｍ（以下、移動体ｍという）が、本発明の物体移動機構によって移動されかつ選別される対象、つまり、物体選別機構によって移動されかつ選別される対象である。
この移動体ｍは物質Ｍの液晶中や液体中を移動できるものであれば特に限定されないが、液晶状態の物質Ｍ中に存在した状態では、物質Ｍ中のエネルギーが増加するような物質が好ましい。例えば、移動体ｍがその表面上に分子配向勾配を有するものであれば 移動体ｍが液晶状態の物質Ｍ中に存在した時に、物質Ｍ中に発生する分子配向場のエネルギー増加が大きくなる点で好ましい。
【００１４】
そして、図３に示すように、プレートＰの下面には、ヒータなどの加熱手段Ｈと、チラー等の冷却手段Ｃが設けられている。
この加熱手段Ｈは、プレートＰを介して物質Ｍを加熱することができるものであり、少なくとも、物質Ｍを、その液晶−液体間の相転移温度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、冷却手段Ｃは、プレートＰを介して物質Ｍを冷却することができるものであり、前記加熱手段Ｈからある程度離間した位置に配置されている。この冷却手段Ｃは、少なくとも、物質Ｍを、その液晶−液体間の相転移温度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、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃは、両者の温度を調整して物質Ｍ中に形成される温度勾配を調整する制御手段に連結されている。
【００１５】
以上のごとき構成であるので、物体移動機構では、加熱手段Ｈによって物質Ｍの一部（図３では左側の領域）を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却手段Ｃによって物質Ｍの一部（図３では右側の領域）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、物質Ｍ内には、左側の領域から右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、物質Ｍ内における左側の領域と右側の領域との間には、相転移温度Ｔｃとなる領域が形成される。
物質Ｍは、相転移温度Ｔｃより高温では液体、相転移温度Ｔｃより低温では液晶となるので、物質Ｍ内には、左側に液体相Ｌの領域、右側に液晶相ＬＣの領域が形成され、両領域の間に相転移領域ＩＦが形成されるのである。
（物体を移動させる手順）
【００１６】
つぎに、上記のごとき物体移動機構において、物質Ｍ中の移動体ｍを移動させる方法を説明する。
まず、加熱手段Ｈによって物質Ｍの一部を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却手段Ｃによって物質Ｍの一部を相転移温度Ｔｃより低温に冷却して、物質Ｍ中に相転移領域ＩＦが形成されるように調整する。そして、物質Ｍ中に移動させる移動体ｍを液体相Ｌに浸漬させる。
【００１７】
ついで、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを制御して、物質Ｍ中の最高温度はそのままで、最低温度を低下させる。図４（Ａ）であれば、右側の領域の温度を下げる。すると、物質Ｍ中の温度勾配はその傾きが大きくなり（Ｔｇ１→Ｔｇ２）、相転移温度Ｔｃとなる位置が液体相Ｌ側に移動する。すると、液体相Ｌ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相転移領域ＩＦも液体相Ｌ側に移動する（ＩＦ１→ＩＦ２）。
【００１８】
相転移領域ＩＦは、最初に物体ｍが浸漬されていた位置を通過して、その位置よりも左側に移動するが、相転移領域ＩＦが移動体ｍの位置まで到達すると、移動体ｍは相転移領域ＩＦとともに相転移領域ＩＦと接触したまま移動する（図４（Ａ））。
つまり、物質Ｍに加える熱エネルギを調整して、物質Ｍの温度勾配Ｔｇを変化させる、言い換えれば、相転移領域ＩＦを移動させれば、物質Ｍ中の移動体ｍを移動させることができるのである。
【００１９】
逆に、図４（Ｂ）に示すように、物質Ｍ中の最低温度はそのままで最高温度が高くなるように温度勾配Ｔｇを変化させると（Ｔｇ１→Ｔｇ３）、相転移領域ＩＦは、液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側に向かって移動する（ＩＦ１→ＩＦ３）。このときは、相転移領域ＩＦは、最初に物体ｍが浸漬されている位置を通過して、その位置よりも右側に移動するが、この場合には、移動体ｍは移動せず、相転移領域ＩＦだけが右側に移動する（図４（Ｂ））。
【００２０】
したがって、上記のごとき物体移動機構では、物質Ｍ中に液体相Ｌの領域と液晶相ＬＣの領域とを形成し、物質Ｍの温度勾配Ｔｇを変化させて相転移領域ＩＦを液体相Ｌに向かって移動させれば、液体相Ｌの領域に存在する移動体ｍを、相転移領域ＩＦの移動する方向に相転移領域ＩＦとともに移動させることができるのである。
【００２１】
上記現象が生じるのは、以下の理由と考えられる。
液晶相ＬＣ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、物質Ｍ中に移動体ｍが存在している場合、物質Ｍと移動体ｍを含む系全体では、移動体ｍが液晶相ＬＣ中に存在するよりも移動体ｍが液体相Ｌ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、液晶相ＬＣ中に存在する移動体ｍは、液晶分子の配向を乱すからである。
すると、相転移領域ＩＦが液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動する場合、液体相Ｌ中に存在する移動体ｍは、液晶ＬＣ中に存在したくない、言い換えれば、物質Ｍと移動体ｍ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、移動体ｍが液体相Ｌ中に存在し続けようとする。このため、相転移領域ＩＦが液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動する場合には、移動体ｍは相転移領域ＩＦに押されているかのように、相転移領域ＩＦとともに移動するのである。
一方、相転移領域ＩＦが液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側に移動する場合、液晶相ＬＣ中に存在する移動体ｍは液体相Ｌ中に移動しようとする。このため、相転移領域ＩＦが液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側に移動するときには、移動体ｍはその位置に停止したまま、相転移領域ＩＦを通過させるのである。
【００２２】
そして、上記のごとき原理によって相転移領域ＩＦの移動にともなう移動体ｍが生じるので、物質Ｍが液晶相ＬＣ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、転移領域ＩＦの移動に伴う移動体ｍの移動が生じやすくなるので、好適である。
【００２３】
また、上記の加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃが、後述する物体選別機構の温度勾配形成手段に相当し、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃによって物質Ｍを加熱冷却して温度勾配Ｔｇを変化させる機能が後述する物体選別機構の相転移領域調整機能および移動速度調整機能に相当する。
なお、上記例では、加熱手段Ｈや冷却手段ＣはプレートＰの外面から物質Ｍを加熱冷却する場合を説明したが、物質Ｍを加熱冷却できるのであれば、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃを設ける位置はとくに限定されない。例えば、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃを物質Ｍに直接接触させて加熱冷却してもよい。
【００２４】
さらに、温度勾配形成手段は、上記のごとき加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを備えたものに限られず、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるものであればとくに限定されない。
具体的には、物質Ｍを強制的に加熱冷却するなどして、物質Ｍ中に強制的に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるものや、室温との相対的な温度差によて相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるもの等を温度勾配形成手段として採用することができる。
【００２５】
例えば、図３における冷却手段Ｃに代えて加熱手段Ｈを設け、プレートＰの両側に加熱手段Ｈを設けてもよい。この場合、一方の加熱手段Ｈだけで物質Ｍを加熱しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができるし、また、両加熱手段Ｈによる加熱状態を調整しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができる。
逆に、図３における加熱手段Ｈに冷却手段Ｃを設け、プレートＰの両側に冷却手段Ｃを設けてもよい。この場合も、一方の冷却手段Ｃだけで物質Ｍを冷却しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができるし、また、両冷却手段Ｃによる冷却状態を調整しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができる。
【００２６】
また、温度勾配形成手段として、図３におけるプレートＰの下面全面に、物質Ｍを加熱冷却できる、例えば、ペルチェ素子等を複数設けてもよい。この場合、各ペルチェ素子等の温度を調整すれば、物質Ｍ中に所望の温度勾配を形成することができる。すると、物質Ｍ中に所望の形状を有する相転移領域ＩＦを形成できるし、この相転移領域ＩＦを所望の方向に所望の速度で移動させることも可能である。
【００２７】
さらに、温度勾配形成手段として、所望の温度分布を表面に形成させることができる平板（例えば、銅板等）を、図３におけるプレートＰの下面に設けてもよい。この場合、平板の表面と同等の温度分布を物質Ｍ内に形成させることができる。すると、平板の温度分布を調整すれば、物質Ｍ中に所望の温度分布、つまり、所望の温度勾配Ｔｇを形成することができるから、物質Ｍ中に所望の形状を有する相転移領域ＩＦを形成できるし、この相転移領域ＩＦを所望の方向に所望の速度で移動させることも可能となる。
【００２８】
さらに、物質Ｍ全体が同一相の状態から、物質Ｍ全体の温度を、急激に上昇させるまたは急激に低下させることによっても、相転移領域ＩＦを形成させて移動させることができる。具体的には、全面液晶相ＬＣの状態の物質Ｍを、温度勾配形成手段によって物質Ｍ全体を相転移温度Ｔｃ以上に急激に加熱した場合には、最初に液体相Ｌとなった場所から液体相Ｌが広がるにつれて相転移領域ＩＦを移動させることができる。逆に、全面液体相Ｌの状態の物質Ｍを、温度勾配形成手段によって物質Ｍ全体を相転移温度Ｔｃ以下に急激に冷却した場合には、最初に液晶相ＬＣとなった場所から液体相Ｌが広がるにつれて相転移領域ＩＦを移動させることができる。
【００２９】
さらに、温度勾配形成手段として、物質Ｍの全体を同じ温度で加熱または冷却するものを設けてもよい。この場合でも、物質Ｍが液晶相ＬＣと液体層Ｌを有している場合、温度勾配形成手段によって物質Ｍの全体を相転移温度Ｔｃとなるようにしておけば、相転移領域ＩＦが移動しない状態かつ液晶相ＬＣと液体層Ｌとが共存する状態に維持できる。そして、上記状態から、温度勾配形成手段によって、物質Ｍの温度が、相転移温度Ｔｃより高くなるように、または、相転移温度Ｔｃより低くなるように、物質Ｍを加熱又は冷却すると、物質Ｍの温度変化に伴って、相転移領域ＩＦを移動させることができる。
【００３０】
（物体選別機構の説明）
上述したように、相転移領域ＩＦを移動させれば、物質Ｍに浸漬されている移動体ｍを移動させることができるが、相転移領域ＩＦの移動速度が速くなれば、移動体ｍが相転移領域ＩＦの移動に追従できない場合がある。具体的には、移動体ｍの質量が重い場合や移動体ｍの粒径が小さい場合など、相転移領域ＩＦから移動体ｍに加わる力が小さい場合には、相転移領域ＩＦの移動速度が速くなると、移動体ｍが相転移領域ＩＦの移動に追従できなくなり、移動体ｍが液晶相ＬＣ側に残されることになる。
つまり、物質Ｍ中に複数の移動体ｍを浸漬しておけば、相転移領域ＩＦの移動速度を調整することによって、複数の移動体ｍを、その移動に追従できる移動体ｍと、その移動に追従できない移動体ｍと選別することができるのである。
【００３１】
例えば、図１に示すように、相転移領域ＩＦを図中左側から右側に移動させる場合、まず、相転移領域ＩＦの移動速度をＶ１とすれば、移動速度をＶ１に追従できない移動体ｍ１は液晶相ＬＣ側に残される。つまり、そのままの位置に残されるのである。一方、移動速度Ｖ１に追従できる移動体ｍ２〜ｍ５は相転移領域ＩＦとともに移動する。液晶相ＬＣ側に残される。
ついで、相転移領域ＩＦの移動速度をＶ２とすれば、移動速度をＶ１には追従できたが移動速度をＶ２には追従できない移動体ｍ２は液晶相ＬＣ側に残される。つまり、相転移領域ＩＦの移動速度をＶ１からＶ２に変化させた位置に移動体ｍ２は残される。一方、移動速度Ｖ２に追従できる移動体ｍ３〜ｍ５は相転移領域ＩＦとともに移動する。
そして、相転移領域ＩＦを右端まで移動させると、移動体ｍ３〜ｍ５を右端に集めることができるのである。
【００３２】
以上のごとくであるから、相転移領域ＩＦの移動速度を調整すれば、物質Ｍの液体相Ｌに位置する移動体ｍのうち、移動速度Ｖに追従できる移動体ｍのみを相転移領域ＩＦとともに移動させることができ、移動速度Ｖに追従できない物体を液晶相ＬＣ側に残すことができる。
よって、相転移領域ＩＦの移動速度Ｖを調整すれば、液体層Ｌに存在する複数の移動体ｍを、その性質によって選別することができる。
【００３３】
しかも、移動速度Ｖを変化させる位置を調整すれば、移動体ｍが液晶層ＬＣの残留する位置を調整することができるし、その位置で、相転移領域ＩＦに沿った状態で配置することができる。すると、物質Ｍ中において、相転移領域ＩＦの移動方向における所定の位置に、所定の移動体ｍを並べて配置することができるのである。
【００３４】
なお、相転移領域ＩＦの移動速度は、物質Ｍ中に形成させる温度勾配Ｔｇの変化割合を調整すれば、自由に調整することができる。つまり、温度勾配Ｔｇを短時間で変化させれば相転移領域ＩＦの移動速度を速くできるし、温度勾配Ｔｇをゆっくりと変化させれば相転移領域ＩＦの移動速度を遅くすることができる。
また、物質Ｍの温度を急激に変化させた場合（つまり、物質Ｍを急激に加熱または冷却した場合）でも、相転移領域ＩＦの移動速度を速くできるし、逆に、物質Ｍの温度を緩やかに変化させた場合（つまり、物質Ｍを緩やかに加熱または冷却した場合）でも、相転移領域ＩＦの移動速度を遅くできる。
【００３５】
そして、温度勾配形成手段として、物質Ｍ中の温度勾配Ｔｇを迅速に逆転させることができる機能を有するものを採用すれば、相転移領域ＩＦを静止させた状態で、液晶相ＬＣの領域と液体相Ｌの領域を逆転させることが可能となる。すると、相転移領域ＩＦの移動に伴って移動体ｍの移動方向させることができる領域を逆向きにすることができるから、移動体ｍを一方向だけでなく、双方向に移動させることが可能となる。
すると、液晶相ＬＣ側と液体相Ｌ側の位置を逆転させれば、相転移領域ＩＦの移動方向を逆向きにすることができるから、選別した移動体ｍを互いに離間した位置に集めることができる。
【００３６】
例えば、図２であれば、右側に液晶相ＬＣの領域、左側に液体相Ｌの領域が形成されているので、相転移領域ＩＦを移動速度Ｖ１で右側から左側に移動させれば、移動速度Ｖ１に追従できる移動体ｍを右側から左側に向かって移動させることができ、物質Ｍの左端に集めることができる。このとき、移動速度Ｖ１に追従できない移動体ｍは、液晶相ＬＣ中に残される。
この状態から、液晶相ＬＣの領域と液体相Ｌの領域を逆転させて、左側に液晶相ＬＣの領域、右側に液体相Ｌの領域が存在するようにして、左端に集められた移動体ｍが移動できない速度Ｖ２で相転移領域ＩＦを右側に移動させたのち、移動速度Ｖ１に追従できなかった移動体ｍの位置において、これらの移動体ｍが追従できる速度Ｖ３に相転移領域ＩＦの移動速度を落とせば、移動速度Ｖ１に追従できなかった移動体ｍを、物質Ｍの右端に集めることができる。
【００３７】
さらに、物質Ｍ中に、相転移領域ＩＦを挟んで液晶相ＬＣと液体相Ｌの両方が形成されている場合において、液晶相ＬＣ側を冷却し、液体相Ｌ側を物質Ｍの相転移温度Ｔｃ以下となるように冷却すれば、液体相Ｌを挟むように一対の相転移領域ＩＦが形成される。すると、一対の相転移領域ＩＦは互いに接近するように移動するので、その移動速度を調整すれば、所定の物質ｍを物質Ｍの中央に集めることができる。
なお、液晶相ＬＣ側を物質Ｍの相転移温度Ｔｃ以上となるように加熱し、液体相Ｌ側を物質Ｍの相転移温度Ｔｃ以下となるように冷却すれば、物質Ｍ中に３つの相転移領域ＩＦが形成される。すると、各相転移領域ＩＦの移動速度を調整すれば、物質ｍを集める位置等の調整の自由度を高くすることができる。
【実施例】
【００３８】
液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構によって物体を移動させることを確認した。
実験は、図５（Ａ）に示すような試験セル１を用い、試験セル１中の物質Ｍの温度勾配を変化させたときにおける物質Ｍ中の微粒子ｍの移動を確認した。
【００３９】
試験セル１は、２枚のガラス平板２(18mm×18mm)と、このガラス平板２の対向する面に作成した配向膜３と、フィルム状のスペーサ４（厚さ50μm）とから構成されている。そして、２枚のガラス平板２間に、物質Ｍ(4-Cyano・41-n-penty)biphenll〔5CB〕）を配置し、この物質Ｍ中にSio2微粒子ｍ(直径2.5μm)を混入している。
なお、２枚のガラス平板２は、両者の間の空間に物質Ｍを流し込みやすくするために、その位置を少しズラして配置している。
また、配向膜３には、垂直配向膜を使用した。
【００４０】
図５（Ｂ）に示すように、前記試験セル１を用いた実験装置１０は、試験セル１中の物質Ｍに温度勾配を与えるための２基のサーモモジュール１１(80mmX80mm)と、この２基のサーモモジュール１１に跨るように配設された銅板１２と、この銅１２上に配置されたスライドガラス１３とを備えており、このスライドガラス１３上に試験セル１を配置して実験を行った。
なお、外気温の影響を遮断するために、実験装置１０を断熱ケース１４内に配置した状態で実験を行った。
【００４１】
また、試験セル１の温度勾配は、温度コントローラ(CELLシステムTDC-2000(分解能0.Ol℃))によって２基のサーモモジュール１１を異なった温度に設定することによって調整した。温度コントローラには、スライドガラス１３に取り付けられた２つの熱電対１５(1.6mmX3.2mm)が接続されており、この２つの熱電対が測定する温度に基づいて温度コントローラは２基のサーモモジュール１１の作動を制御している。
【００４２】
また、試験セル１中の物質Ｍの状況および微粒子ｍの挙動は、断熱ケース１４の上面に設けた観察穴から偏光顕微鏡映像をCCDカメラを用いて撮影した。
なお、CCDカメラによる撮影のための光を確保するために、銅板１２および断熱ケース１４の下面に孔を形成し、この孔から光を試験セル１に照射した。
そして、液晶相ＬＣ、液体相Ｌの両方を透過する光を受光するために、試験セル１に光を照射する光源と試験セル１との間には偏光子を配置しており、試験セル１とCCDカメラとの間には検光子を配置している。
【００４３】
つぎに、実験結果を説明する。
図６において、黒い点は微粒子ｍであり、黒い帯状の部分が相界面（相転移領域）であり、図中相界面に対して、左側の領域が液体相Ｌであり右側の領域が液晶相ＬＣである。 なお、図６（ａ）、（ｃ）の状態では、２つの熱電対１５によって測定される温度が、右側が29℃、左側が39℃（温度勾配0.33℃／mm）となるように２つのサーモモジュール１１によって温度が調整されている。
【００４４】
まず、図６（ａ）の状態（温度勾配0.33℃／mm）において、相界面を挟んで両側に微粒子ｍが存在していることが確認できる。この状態から温度勾配を変化させると（右側のサーモモジュール１１をOFFにすると）、右側の温度が上昇するので、相界面が液体相側から液晶相側に向かって動くことが確認できる（図６（ａ），（ｂ））。しかし、この場合には、白い２つの円で囲まれた微粒子ｍは相界面が通過する前後でほとんど移動していない。つまり、相界面が移動しても、微粒子ｍは移動されないことが確認できる。
【００４５】
逆に、図６（ｃ）の状態から温度勾配を変化させると（左側のサーモモジュールをOFFにすると）、左側の温度が下降するので、相界面が液晶相側から液体相側に向かって動くことが確認できる（図６（ｃ），（ｄ））。そして、相界面の移動に伴って、微粒子ｍも元の位置から相界面の移動方向、つまり、左側に向かって移動していることが確認できる。しかも、２つの微粒子ｍは、移動前は左右方向の位置がずれていたのであるが（図６（ｃ））、移動後は相界面に沿って並んだ状態となっている（図６（ｄ））。
以上のことから、２つの微粒子ｍは、相界面の移動に伴って、相界面に押されるように移動したこと考えられる。
【００４６】
以上の実験結果からも、液体相と液晶相とを取り得る物質では、本発明の物体選別機構によって、相界面を移動させることによって物質中の物体を相界面とともに移動させることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、少ない熱エネルギによって微小な物体を移動し選別する装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
Ｌ 液体相
ＬＣ 液晶相
Ｍ 物質
ｍ 移動体
ＩＦ 相転移領域
Ｔｃ 相転移温度
Ｔｇ 温度勾配
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法に関する。
4-pentyl-4’-cyanobiphenyl等，液晶性の物質は、分子が等方（無秩序）となった液体状態と、分子が一定の方向に配向した液晶状態を取ることができ、所定の温度（相転移温度）において液体状態と液晶状態との間で状態が可逆変化する。そして、かかる物質中に、相転移温度が含まれる温度勾配が存在した場合には、物質中に、液体相と液晶相とが界面を挟んで同時に存在する状態となる。
本発明は、かかる内部に液体相と液晶相とが界面が存在する物質における液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液晶は、液晶分子が配向することによってその光学的性質が変化するため、この性質を利用して液晶ディスプレー等の情報表示装置に使用されている。
また、液晶は、電界や磁界を加えて液晶分子の配向方向を変化させるとその粘性が変化する。つまり、液晶は、電気粘性流体としての性質も有しているので、この性質を利用した軸受やダンパー等が開発されている。
【０００３】
一方、液晶分子が配向するときには、配向の際に回転するので、液晶中には液晶流動が発生する。この液晶分子の回転に起因した液晶流動を工業的に利用する技術、具体的には、液晶流動によって物体を移動させる技術が開発されている（特許文献１）。
【０００４】
ところで、上記特許文献１の技術は、液晶が仕事をするためのエネルギとして、電磁力を利用しているが、熱エネルギを液晶に供給して物体移動などの仕事をさせることができれば有用であると考える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５８６７３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑み、熱エネルギによって物体を選別することができる液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構および物体選別方法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】
【０００７】
第１発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、 液体状態と液晶状態とを取り得る物質と、該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させる相転移領域形成手段と、を備えており、該相転移領域形成手段は、前記物質中において相転移領域を移動させる相転移領域調整機能と、前記相転移領域の移動速度を調整する移動速度調整機能とを有していることを特徴とする。
第２発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１発明において、前記相転移領域形成手段が、前記物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させる温度勾配形成手段であることを特徴とする。
第３発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１または第２発明において、前記温度勾配形成手段は、前記物質を冷却する冷却手段と、該冷却手段に対して離間した位置に配設された、前記物質を加熱する加熱手段とを備えていることを特徴とする。
第４発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１または第２発明において、前記温度勾配形成手段は、前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させる機能を有することを特徴とする。
第５発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、第１、第２、第３または第４発明において、前記物質を収容する収容部材を備えており、該収容部材における前記物質と接触する面には、配向処理が施されていることを特徴とする。
第６発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法は、液体状態と液晶状態とを取り得る物質に対して、該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させ、前記物質中における相転移領域を移動させ、かつ、該相転移領域の移動速度を変化させることを特徴とする。
第７発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法は、第６発明において、前記物質中に相転移温度を含む温度勾配を形成させて、該物質中に前記相転移領域を形成させることを特徴とする。
第８発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法は、第６または第７発明において、前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１発明によれば、相転移温度の相転移領域を液晶相側から液体相側に向かって移動させれば、物質の液体相に位置する物体を、相転移領域が物体に対して液晶相側から液体相側に移動するときに、相転移領域とともに移動させることができる。しかも、相転移領域の移動速度を調整できるから、物質の液体相に位置する物体のうち、移動速度に追従できる物体のみを相転移領域とともに移動させることができ、移動速度に追従できない物体を液晶相側に残すことができる。よって、相転移領域の移動速度を調整すれば、液体層に存在する物体を選別することができる。
第２発明によれば、温度勾配形成手段によって物質に加える熱エネルギを調整すれば、物質中に相転移温度の相転移領域を形成することができるから、相転移領域を容易に形成することができる。
第３発明によれば、冷却手段が物質から奪う熱エネルギと、加熱手段から物質に供給する熱エネルギとを調整すれば、物質中に形成させる温度勾配を自由に調整することができる。よって、冷却手段と加熱手段との間に形成される相転移領域の位置及び移動速度の調整が容易である。
第４発明によれば、液晶相側と液体相側の位置を逆転させれば、相転移領域の移動方向を逆向きにすることができるから、選別した物体を互いに離間した位置に集めることができる。
第５発明によれば、物質が液晶になったときにおける液晶分子の配向を拘束する力が強くなるので、物体が相転移領域とともに移動しやすくなる。
第６発明によれば、相転移領域を液晶相側から液体相側に向かって移動させれば、物質の液体相に位置する物体を、相転移領域が物体に対して液晶相側から液体相側に移動するときに、相転移領域とともに移動させることができる。しかも、相転移領域の移動速度を調整できるから、物質の液体相に位置する物体のうち、移動速度に追従できる物体のみを相転移領域とともに移動させることができ、移動速度に追従できない物体を液晶相側に残すことができる。よって、相転移領域の移動速度を調整すれば、液体層に存在する物体を選別することができる。
第７発明によれば、物質に加える熱エネルギを調整すれば、物質中に相転移温度の相転移領域を形成することができるから、相転移領域を容易に形成することができる。
第８発明によれば、液晶相側と液体相側の位置を逆転させれば、相転移領域の移動方向を逆向きにすることができるから、選別した物体を互いに離間した位置に集めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の物体選別機構によって物体を選別する作業の概略説明図である。
【図２】本実施形態の物体選別機構によって物体を選別する他の作業の概略説明図である。
【図３】物体移動機構の概略説明図であって、（Ａ）は物質Ｍに移動体ｍが浸漬された状態の概略断面図であり、（Ｂ）は物質Ｍに移動体ｍが浸漬された状態の概略平面図であり、（Ｃ）は物質Ｍ中の温度勾配Ｔｇを示した図である。
【図４】（Ａ）は相転移領域ＩＦを液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側へ移動させる状況の概略説明図であり、（Ｂ）は相転移領域ＩＦを液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側へ移動させる状況の概略説明図である。
【図５】実施例の実験装置の概略説明図である。
【図６】相転移領域を移動させたときの状況を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の物体選別機構は、物質に熱エネルギを加えることによって物質中の物体を移動させて選別するものであり、物体の移動に、物質の液晶−液体間の界面の移動を利用し、かつ、界面の移動速度を利用して物体を選別するようにしたことに特徴を有している。
【００１１】
まず、物体選別機構の前提となる、物体の移動に、物質の液晶−液体間の界面の移動する物体移動機構および物体移動方法について、説明する。
【００１２】
図３において符号Ｍは、プレートＰ上に配置された物質Ｍを示している。この物質Ｍは、例えば、4-pentyl-4’-cyanobiphenylや4-methoxy-benzilidene-4-butyl-aniline等の温度を変えることによって液晶状態（図３中液晶層ＬＣで示す）を液体状態（図３中液体層Ｌで示す）との間で状態を変化させることができる物質を示している。
なお、図３では、物質ＭがプレートＰ上に配置されている場合を示しているが、本発明の物体選別機構を適用する装置では、物質Ｍを配置する部材は特に限定されない。例えば、物質Ｍは、一対の平板間に配置したり箱状の部材内に収容したりしてもよく、とくに限定されない。
【００１３】
図３において、符号ｍは物質Ｍに浸漬されている物体を示している。この物体ｍ（以下、移動体ｍという）が、本発明の物体移動機構によって移動されかつ選別される対象、つまり、物体選別機構によって移動されかつ選別される対象である。
この移動体ｍは物質Ｍの液晶中や液体中を移動できるものであれば特に限定されないが、液晶状態の物質Ｍ中に存在した状態では、物質Ｍ中のエネルギーが増加するような物質が好ましい。例えば、移動体ｍがその表面上に分子配向勾配を有するものであれば 移動体ｍが液晶状態の物質Ｍ中に存在した時に、物質Ｍ中に発生する分子配向場のエネルギー増加が大きくなる点で好ましい。
【００１４】
そして、図３に示すように、プレートＰの下面には、ヒータなどの加熱手段Ｈと、チラー等の冷却手段Ｃが設けられている。
この加熱手段Ｈは、プレートＰを介して物質Ｍを加熱することができるものであり、少なくとも、物質Ｍを、その液晶−液体間の相転移温度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、冷却手段Ｃは、プレートＰを介して物質Ｍを冷却することができるものであり、前記加熱手段Ｈからある程度離間した位置に配置されている。この冷却手段Ｃは、少なくとも、物質Ｍを、その液晶−液体間の相転移温度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、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃは、両者の温度を調整して物質Ｍ中に形成される温度勾配を調整する制御手段に連結されている。
【００１５】
以上のごとき構成であるので、物体移動機構では、加熱手段Ｈによって物質Ｍの一部（図３では左側の領域）を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却手段Ｃによって物質Ｍの一部（図３では右側の領域）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、物質Ｍ内には、左側の領域から右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、物質Ｍ内における左側の領域と右側の領域との間には、相転移温度Ｔｃとなる領域が形成される。
物質Ｍは、相転移温度Ｔｃより高温では液体、相転移温度Ｔｃより低温では液晶となるので、物質Ｍ内には、左側に液体相Ｌの領域、右側に液晶相ＬＣの領域が形成され、両領域の間に相転移領域ＩＦが形成されるのである。
（物体を移動させる手順）
【００１６】
つぎに、上記のごとき物体移動機構において、物質Ｍ中の移動体ｍを移動させる方法を説明する。
まず、加熱手段Ｈによって物質Ｍの一部を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却手段Ｃによって物質Ｍの一部を相転移温度Ｔｃより低温に冷却して、物質Ｍ中に相転移領域ＩＦが形成されるように調整する。そして、物質Ｍ中に移動させる移動体ｍを液体相Ｌに浸漬させる。
【００１７】
ついで、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを制御して、物質Ｍ中の最高温度はそのままで、最低温度を低下させる。図４（Ａ）であれば、右側の領域の温度を下げる。すると、物質Ｍ中の温度勾配はその傾きが大きくなり（Ｔｇ１→Ｔｇ２）、相転移温度Ｔｃとなる位置が液体相Ｌ側に移動する。すると、液体相Ｌ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相転移領域ＩＦも液体相Ｌ側に移動する（ＩＦ１→ＩＦ２）。
【００１８】
相転移領域ＩＦは、最初に物体ｍが浸漬されていた位置を通過して、その位置よりも左側に移動するが、相転移領域ＩＦが移動体ｍの位置まで到達すると、移動体ｍは相転移領域ＩＦとともに相転移領域ＩＦと接触したまま移動する（図４（Ａ））。
つまり、物質Ｍに加える熱エネルギを調整して、物質Ｍの温度勾配Ｔｇを変化させる、言い換えれば、相転移領域ＩＦを移動させれば、物質Ｍ中の移動体ｍを移動させることができるのである。
【００１９】
逆に、図４（Ｂ）に示すように、物質Ｍ中の最低温度はそのままで最高温度が高くなるように温度勾配Ｔｇを変化させると（Ｔｇ１→Ｔｇ３）、相転移領域ＩＦは、液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側に向かって移動する（ＩＦ１→ＩＦ３）。このときは、相転移領域ＩＦは、最初に物体ｍが浸漬されている位置を通過して、その位置よりも右側に移動するが、この場合には、移動体ｍは移動せず、相転移領域ＩＦだけが右側に移動する（図４（Ｂ））。
【００２０】
したがって、上記のごとき物体移動機構では、物質Ｍ中に液体相Ｌの領域と液晶相ＬＣの領域とを形成し、物質Ｍの温度勾配Ｔｇを変化させて相転移領域ＩＦを液体相Ｌに向かって移動させれば、液体相Ｌの領域に存在する移動体ｍを、相転移領域ＩＦの移動する方向に相転移領域ＩＦとともに移動させることができるのである。
【００２１】
上記現象が生じるのは、以下の理由と考えられる。
液晶相ＬＣ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、物質Ｍ中に移動体ｍが存在している場合、物質Ｍと移動体ｍを含む系全体では、移動体ｍが液晶相ＬＣ中に存在するよりも移動体ｍが液体相Ｌ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、液晶相ＬＣ中に存在する移動体ｍは、液晶分子の配向を乱すからである。
すると、相転移領域ＩＦが液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動する場合、液体相Ｌ中に存在する移動体ｍは、液晶ＬＣ中に存在したくない、言い換えれば、物質Ｍと移動体ｍ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、移動体ｍが液体相Ｌ中に存在し続けようとする。このため、相転移領域ＩＦが液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動する場合には、移動体ｍは相転移領域ＩＦに押されているかのように、相転移領域ＩＦとともに移動するのである。
一方、相転移領域ＩＦが液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側に移動する場合、液晶相ＬＣ中に存在する移動体ｍは液体相Ｌ中に移動しようとする。このため、相転移領域ＩＦが液体相Ｌ側から液晶相ＬＣ側に移動するときには、移動体ｍはその位置に停止したまま、相転移領域ＩＦを通過させるのである。
【００２２】
そして、上記のごとき原理によって相転移領域ＩＦの移動にともなう移動体ｍが生じるので、物質Ｍが液晶相ＬＣ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、転移領域ＩＦの移動に伴う移動体ｍの移動が生じやすくなるので、好適である。
【００２３】
また、上記の加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃが、後述する物体選別機構の温度勾配形成手段に相当し、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃによって物質Ｍを加熱冷却して温度勾配Ｔｇを変化させる機能が後述する物体選別機構の相転移領域調整機能および移動速度調整機能に相当する。
なお、上記例では、加熱手段Ｈや冷却手段ＣはプレートＰの外面から物質Ｍを加熱冷却する場合を説明したが、物質Ｍを加熱冷却できるのであれば、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃを設ける位置はとくに限定されない。例えば、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃを物質Ｍに直接接触させて加熱冷却してもよい。
【００２４】
さらに、温度勾配形成手段は、上記のごとき加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを備えたものに限られず、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるものであればとくに限定されない。
具体的には、物質Ｍを強制的に加熱冷却するなどして、物質Ｍ中に強制的に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるものや、室温との相対的な温度差によて相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるもの等を温度勾配形成手段として採用することができる。
【００２５】
例えば、図３における冷却手段Ｃに代えて加熱手段Ｈを設け、プレートＰの両側に加熱手段Ｈを設けてもよい。この場合、一方の加熱手段Ｈだけで物質Ｍを加熱しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができるし、また、両加熱手段Ｈによる加熱状態を調整しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができる。
逆に、図３における加熱手段Ｈに冷却手段Ｃを設け、プレートＰの両側に冷却手段Ｃを設けてもよい。この場合も、一方の冷却手段Ｃだけで物質Ｍを冷却しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができるし、また、両冷却手段Ｃによる冷却状態を調整しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができる。
【００２６】
また、温度勾配形成手段として、図３におけるプレートＰの下面全面に、物質Ｍを加熱冷却できる、例えば、ペルチェ素子等を複数設けてもよい。この場合、各ペルチェ素子等の温度を調整すれば、物質Ｍ中に所望の温度勾配を形成することができる。すると、物質Ｍ中に所望の形状を有する相転移領域ＩＦを形成できるし、この相転移領域ＩＦを所望の方向に所望の速度で移動させることも可能である。
【００２７】
さらに、温度勾配形成手段として、所望の温度分布を表面に形成させることができる平板（例えば、銅板等）を、図３におけるプレートＰの下面に設けてもよい。この場合、平板の表面と同等の温度分布を物質Ｍ内に形成させることができる。すると、平板の温度分布を調整すれば、物質Ｍ中に所望の温度分布、つまり、所望の温度勾配Ｔｇを形成することができるから、物質Ｍ中に所望の形状を有する相転移領域ＩＦを形成できるし、この相転移領域ＩＦを所望の方向に所望の速度で移動させることも可能となる。
【００２８】
さらに、物質Ｍ全体が同一相の状態から、物質Ｍ全体の温度を、急激に上昇させるまたは急激に低下させることによっても、相転移領域ＩＦを形成させて移動させることができる。具体的には、全面液晶相ＬＣの状態の物質Ｍを、温度勾配形成手段によって物質Ｍ全体を相転移温度Ｔｃ以上に急激に加熱した場合には、最初に液体相Ｌとなった場所から液体相Ｌが広がるにつれて相転移領域ＩＦを移動させることができる。逆に、全面液体相Ｌの状態の物質Ｍを、温度勾配形成手段によって物質Ｍ全体を相転移温度Ｔｃ以下に急激に冷却した場合には、最初に液晶相ＬＣとなった場所から液体相Ｌが広がるにつれて相転移領域ＩＦを移動させることができる。
【００２９】
さらに、温度勾配形成手段として、物質Ｍの全体を同じ温度で加熱または冷却するものを設けてもよい。この場合でも、物質Ｍが液晶相ＬＣと液体層Ｌを有している場合、温度勾配形成手段によって物質Ｍの全体を相転移温度Ｔｃとなるようにしておけば、相転移領域ＩＦが移動しない状態かつ液晶相ＬＣと液体層Ｌとが共存する状態に維持できる。そして、上記状態から、温度勾配形成手段によって、物質Ｍの温度が、相転移温度Ｔｃより高くなるように、または、相転移温度Ｔｃより低くなるように、物質Ｍを加熱又は冷却すると、物質Ｍの温度変化に伴って、相転移領域ＩＦを移動させることができる。
【００３０】
（物体選別機構の説明）
上述したように、相転移領域ＩＦを移動させれば、物質Ｍに浸漬されている移動体ｍを移動させることができるが、相転移領域ＩＦの移動速度が速くなれば、移動体ｍが相転移領域ＩＦの移動に追従できない場合がある。具体的には、移動体ｍの質量が重い場合や移動体ｍの粒径が小さい場合など、相転移領域ＩＦから移動体ｍに加わる力が小さい場合には、相転移領域ＩＦの移動速度が速くなると、移動体ｍが相転移領域ＩＦの移動に追従できなくなり、移動体ｍが液晶相ＬＣ側に残されることになる。
つまり、物質Ｍ中に複数の移動体ｍを浸漬しておけば、相転移領域ＩＦの移動速度を調整することによって、複数の移動体ｍを、その移動に追従できる移動体ｍと、その移動に追従できない移動体ｍと選別することができるのである。
【００３１】
例えば、図１に示すように、相転移領域ＩＦを図中左側から右側に移動させる場合、まず、相転移領域ＩＦの移動速度をＶ１とすれば、移動速度をＶ１に追従できない移動体ｍ１は液晶相ＬＣ側に残される。つまり、そのままの位置に残されるのである。一方、移動速度Ｖ１に追従できる移動体ｍ２〜ｍ５は相転移領域ＩＦとともに移動する。液晶相ＬＣ側に残される。
ついで、相転移領域ＩＦの移動速度をＶ２とすれば、移動速度をＶ１には追従できたが移動速度をＶ２には追従できない移動体ｍ２は液晶相ＬＣ側に残される。つまり、相転移領域ＩＦの移動速度をＶ１からＶ２に変化させた位置に移動体ｍ２は残される。一方、移動速度Ｖ２に追従できる移動体ｍ３〜ｍ５は相転移領域ＩＦとともに移動する。
そして、相転移領域ＩＦを右端まで移動させると、移動体ｍ３〜ｍ５を右端に集めることができるのである。
【００３２】
以上のごとくであるから、相転移領域ＩＦの移動速度を調整すれば、物質Ｍの液体相Ｌに位置する移動体ｍのうち、移動速度Ｖに追従できる移動体ｍのみを相転移領域ＩＦとともに移動させることができ、移動速度Ｖに追従できない物体を液晶相ＬＣ側に残すことができる。
よって、相転移領域ＩＦの移動速度Ｖを調整すれば、液体層Ｌに存在する複数の移動体ｍを、その性質によって選別することができる。
【００３３】
しかも、移動速度Ｖを変化させる位置を調整すれば、移動体ｍが液晶層ＬＣの残留する位置を調整することができるし、その位置で、相転移領域ＩＦに沿った状態で配置することができる。すると、物質Ｍ中において、相転移領域ＩＦの移動方向における所定の位置に、所定の移動体ｍを並べて配置することができるのである。
【００３４】
なお、相転移領域ＩＦの移動速度は、物質Ｍ中に形成させる温度勾配Ｔｇの変化割合を調整すれば、自由に調整することができる。つまり、温度勾配Ｔｇを短時間で変化させれば相転移領域ＩＦの移動速度を速くできるし、温度勾配Ｔｇをゆっくりと変化させれば相転移領域ＩＦの移動速度を遅くすることができる。
また、物質Ｍの温度を急激に変化させた場合（つまり、物質Ｍを急激に加熱または冷却した場合）でも、相転移領域ＩＦの移動速度を速くできるし、逆に、物質Ｍの温度を緩やかに変化させた場合（つまり、物質Ｍを緩やかに加熱または冷却した場合）でも、相転移領域ＩＦの移動速度を遅くできる。
【００３５】
そして、温度勾配形成手段として、物質Ｍ中の温度勾配Ｔｇを迅速に逆転させることができる機能を有するものを採用すれば、相転移領域ＩＦを静止させた状態で、液晶相ＬＣの領域と液体相Ｌの領域を逆転させることが可能となる。すると、相転移領域ＩＦの移動に伴って移動体ｍの移動方向させることができる領域を逆向きにすることができるから、移動体ｍを一方向だけでなく、双方向に移動させることが可能となる。
すると、液晶相ＬＣ側と液体相Ｌ側の位置を逆転させれば、相転移領域ＩＦの移動方向を逆向きにすることができるから、選別した移動体ｍを互いに離間した位置に集めることができる。
【００３６】
例えば、図２であれば、右側に液晶相ＬＣの領域、左側に液体相Ｌの領域が形成されているので、相転移領域ＩＦを移動速度Ｖ１で右側から左側に移動させれば、移動速度Ｖ１に追従できる移動体ｍを右側から左側に向かって移動させることができ、物質Ｍの左端に集めることができる。このとき、移動速度Ｖ１に追従できない移動体ｍは、液晶相ＬＣ中に残される。
この状態から、液晶相ＬＣの領域と液体相Ｌの領域を逆転させて、左側に液晶相ＬＣの領域、右側に液体相Ｌの領域が存在するようにして、左端に集められた移動体ｍが移動できない速度Ｖ２で相転移領域ＩＦを右側に移動させたのち、移動速度Ｖ１に追従できなかった移動体ｍの位置において、これらの移動体ｍが追従できる速度Ｖ３に相転移領域ＩＦの移動速度を落とせば、移動速度Ｖ１に追従できなかった移動体ｍを、物質Ｍの右端に集めることができる。
【００３７】
さらに、物質Ｍ中に、相転移領域ＩＦを挟んで液晶相ＬＣと液体相Ｌの両方が形成されている場合において、液晶相ＬＣ側を冷却し、液体相Ｌ側を物質Ｍの相転移温度Ｔｃ以下となるように冷却すれば、液体相Ｌを挟むように一対の相転移領域ＩＦが形成される。すると、一対の相転移領域ＩＦは互いに接近するように移動するので、その移動速度を調整すれば、所定の物質ｍを物質Ｍの中央に集めることができる。
なお、液晶相ＬＣ側を物質Ｍの相転移温度Ｔｃ以上となるように加熱し、液体相Ｌ側を物質Ｍの相転移温度Ｔｃ以下となるように冷却すれば、物質Ｍ中に３つの相転移領域ＩＦが形成される。すると、各相転移領域ＩＦの移動速度を調整すれば、物質ｍを集める位置等の調整の自由度を高くすることができる。
【実施例】
【００３８】
液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構によって物体を移動させることを確認した。
実験は、図５（Ａ）に示すような試験セル１を用い、試験セル１中の物質Ｍの温度勾配を変化させたときにおける物質Ｍ中の微粒子ｍの移動を確認した。
【００３９】
試験セル１は、２枚のガラス平板２(18mm×18mm)と、このガラス平板２の対向する面に作成した配向膜３と、フィルム状のスペーサ４（厚さ50μm）とから構成されている。そして、２枚のガラス平板２間に、物質Ｍ(4-Cyano・41-n-penty)biphenll〔5CB〕）を配置し、この物質Ｍ中にSio2微粒子ｍ(直径2.5μm)を混入している。
なお、２枚のガラス平板２は、両者の間の空間に物質Ｍを流し込みやすくするために、その位置を少しズラして配置している。
また、配向膜３には、垂直配向膜を使用した。
【００４０】
図５（Ｂ）に示すように、前記試験セル１を用いた実験装置１０は、試験セル１中の物質Ｍに温度勾配を与えるための２基のサーモモジュール１１(80mmX80mm)と、この２基のサーモモジュール１１に跨るように配設された銅板１２と、この銅１２上に配置されたスライドガラス１３とを備えており、このスライドガラス１３上に試験セル１を配置して実験を行った。
なお、外気温の影響を遮断するために、実験装置１０を断熱ケース１４内に配置した状態で実験を行った。
【００４１】
また、試験セル１の温度勾配は、温度コントローラ(CELLシステムTDC-2000(分解能0.Ol℃))によって２基のサーモモジュール１１を異なった温度に設定することによって調整した。温度コントローラには、スライドガラス１３に取り付けられた２つの熱電対１５(1.6mmX3.2mm)が接続されており、この２つの熱電対が測定する温度に基づいて温度コントローラは２基のサーモモジュール１１の作動を制御している。
【００４２】
また、試験セル１中の物質Ｍの状況および微粒子ｍの挙動は、断熱ケース１４の上面に設けた観察穴から偏光顕微鏡映像をCCDカメラを用いて撮影した。
なお、CCDカメラによる撮影のための光を確保するために、銅板１２および断熱ケース１４の下面に孔を形成し、この孔から光を試験セル１に照射した。
そして、液晶相ＬＣ、液体相Ｌの両方を透過する光を受光するために、試験セル１に光を照射する光源と試験セル１との間には偏光子を配置しており、試験セル１とCCDカメラとの間には検光子を配置している。
【００４３】
つぎに、実験結果を説明する。
図６において、黒い点は微粒子ｍであり、黒い帯状の部分が相界面（相転移領域）であり、図中相界面に対して、左側の領域が液体相Ｌであり右側の領域が液晶相ＬＣである。 なお、図６（ａ）、（ｃ）の状態では、２つの熱電対１５によって測定される温度が、右側が29℃、左側が39℃（温度勾配0.33℃／mm）となるように２つのサーモモジュール１１によって温度が調整されている。
【００４４】
まず、図６（ａ）の状態（温度勾配0.33℃／mm）において、相界面を挟んで両側に微粒子ｍが存在していることが確認できる。この状態から温度勾配を変化させると（右側のサーモモジュール１１をOFFにすると）、右側の温度が上昇するので、相界面が液体相側から液晶相側に向かって動くことが確認できる（図６（ａ），（ｂ））。しかし、この場合には、白い２つの円で囲まれた微粒子ｍは相界面が通過する前後でほとんど移動していない。つまり、相界面が移動しても、微粒子ｍは移動されないことが確認できる。
【００４５】
逆に、図６（ｃ）の状態から温度勾配を変化させると（左側のサーモモジュールをOFFにすると）、左側の温度が下降するので、相界面が液晶相側から液体相側に向かって動くことが確認できる（図６（ｃ），（ｄ））。そして、相界面の移動に伴って、微粒子ｍも元の位置から相界面の移動方向、つまり、左側に向かって移動していることが確認できる。しかも、２つの微粒子ｍは、移動前は左右方向の位置がずれていたのであるが（図６（ｃ））、移動後は相界面に沿って並んだ状態となっている（図６（ｄ））。
以上のことから、２つの微粒子ｍは、相界面の移動に伴って、相界面に押されるように移動したこと考えられる。
【００４６】
以上の実験結果からも、液体相と液晶相とを取り得る物質では、本発明の物体選別機構によって、相界面を移動させることによって物質中の物体を相界面とともに移動させることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構は、少ない熱エネルギによって微小な物体を移動し選別する装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
Ｌ 液体相
ＬＣ 液晶相
Ｍ 物質
ｍ 移動体
ＩＦ 相転移領域
Ｔｃ 相転移温度
Ｔｇ 温度勾配
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体状態と液晶状態とを取り得る物質と、
該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させる相転移領域形成手段と、を備えており、
該相転移領域形成手段は、
前記物質中において相転移領域を移動させる相転移領域調整機能と、
前記相転移領域の移動速度を調整する移動速度調整機能とを有している
ことを特徴とする液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項２】
前記相転移領域形成手段が、
前記物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させる温度勾配形成手段である
ことを特徴とする請求項１記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項３】
前記温度勾配形成手段は、
前記物質を冷却する冷却手段と、
該冷却手段に対して離間した位置に配設された、前記物質を加熱する加熱手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項４】
前記温度勾配形成手段は、
前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させる機能を有する
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項５】
前記物質を収容する収容部材を備えており、
該収容部材における前記物質と接触する面には、配向処理が施されている
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項６】
液体状態と液晶状態とを取り得る物質に対して、該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させ、
前記物質中における相転移領域を移動させ、かつ、該相転移領域の移動速度を変化させる
ことを特徴とする液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法。
【請求項７】
前記物質中に相転移温度を含む温度勾配を形成させて、該物質中に前記相転移領域を形成させる
ことを特徴とする請求項６記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法。
【請求項８】
前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させる
ことを特徴とする請求項６または７記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法。
【請求項１】
液体状態と液晶状態とを取り得る物質と、
該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させる相転移領域形成手段と、を備えており、
該相転移領域形成手段は、
前記物質中において相転移領域を移動させる相転移領域調整機能と、
前記相転移領域の移動速度を調整する移動速度調整機能とを有している
ことを特徴とする液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項２】
前記相転移領域形成手段が、
前記物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させる温度勾配形成手段である
ことを特徴とする請求項１記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項３】
前記温度勾配形成手段は、
前記物質を冷却する冷却手段と、
該冷却手段に対して離間した位置に配設された、前記物質を加熱する加熱手段とを備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項４】
前記温度勾配形成手段は、
前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させる機能を有する
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項５】
前記物質を収容する収容部材を備えており、
該収容部材における前記物質と接触する面には、配向処理が施されている
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別機構。
【請求項６】
液体状態と液晶状態とを取り得る物質に対して、該物質中に、相転移温度の相転移領域を形成させ、
前記物質中における相転移領域を移動させ、かつ、該相転移領域の移動速度を変化させる
ことを特徴とする液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法。
【請求項７】
前記物質中に相転移温度を含む温度勾配を形成させて、該物質中に前記相転移領域を形成させる
ことを特徴とする請求項６記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法。
【請求項８】
前記相転移領域を静止させた状態で、液晶領域と液体領域を逆転させる
ことを特徴とする請求項６または７記載の液体−液晶間相転移を利用した物体選別方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−７１３００（Ｐ２０１２−７１３００Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８５４２（Ｐ２０１１−１８８５４２）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（５０９０９３０２６）公立大学法人高知工科大学 (95)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（５０９０９３０２６）公立大学法人高知工科大学 (95)
【Ｆターム（参考）】
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