JP4965799B2 - ナノ構造またはマイクロ構造の表面上で流体の流れ抵抗を制御する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は概して、著しく小さく、所定の表面特徴部を有する表面に配設された液体の運動に関し、より詳細には、所定のナノ構造またはマイクロ構造の特徴部を有する表面に配設され液体が受ける流れ抵抗を制御することに関する。

無数の用途における多くの有益なデバイスまたは構造は、少なくとも部分的には、少なくとも１つの固体表面と接触する液体を有するという特徴がある。最近の用途は、リソグラフィまたはエッチングの種々の手段などの種々の方法によって製作することができるナノ構造またはマイクロ構造の表面に配設された液体小滴の運動に焦点を当ててきた。こうした表面は、表面に配設された液体滴（liquid droplet）によって受ける流れ抵抗を大幅に減らすのに役立つ表面をもたらす。

こうした１つの用途は、J.KimおよびC.J.Kim著「Nanostructured Surfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistemce in Droplet-based Microfluidics」IEEE Conf. MEMS, Las Vegas, NV, Jan. 2002, pp. 479-482に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。その参考資料は概して、所定のナノ構造の特徴部を有する表面を用いることによって、表面に接触する液体に対する流れ抵抗がどれほど大幅に減るかを述べている。Kimの参考資料は、液体と接触する表面を微細にパターニングすること、および、先に述べた液体の表面張力の原理を用いることによって、表面と液体の間の接触面積を大幅に減らすことが可能であることを教示する。当然の結果として、表面上の液体に対する流れ抵抗はそれに応じて減ることになる。しかし、Kimの参考資料が例によって教示するように、液体に対する流れ抵抗は、液体の運動を制御することが難しいか、または不可能であったレベルまで減る。そのため、液滴の自由な運動を指定（prescribed）エリア内に制御するために、狭い流路または他の収容部（enclosure）内に液滴を配設することが必要であった。

ナノ構造またはマイクロ構造でパターニングされた表面に配設された液体滴の運動をよりよく制御するために、より最近の試みは、液滴（droplet）の特性、または別法として、液体滴の横運動を制御するための、ナノ構造またはマイクロ構造のパターン内特性に依存してきた。こうした制御は、参照によりその全体が本明細書に援用される、２００３年３月３１日に出願された、「Method And Apparatus For Variably Controlling The Movement Of A Liquid On A Nanostructured Surface」という名称の同時係属中の米国特許出願第１０／４０３１５９号の主題である。その出願に記載される一実施形態において、液体滴の横運動は、液滴の前縁の接触角度が、液滴の後縁の接触角度より小さくされるように、ナノ構造またはマイクロ構造のサイズ、形状、密度、または電気的特性を例示的に（illustratively）設計することによって達成される。結果として得られる力の不平衡によって、液滴が前縁の方向に移動する。別の実施形態において、液滴は、液滴がほぼ不動になるように、所望のエリアの特徴部パターンに浸透させられる。この浸透は、たとえば、液滴の表面張力、液滴かパターンのいずれかの温度、あるいは、液滴と特徴部パターンの電圧差を変えることによって行われることができる。

‘１５９号出願に述べるように、上の実施形態の一方または両方は、例示的に、生体または微小化学検出器、化学反応器、パターニング用途、調整可能回折格子、全内面反射ミラー、微小流体ミキサ、微小流体ポンプ、または、熱放散デバイスなどの種々の用途で役立つ場合がある。

そのため、上述の従来技術の努力は、液滴が受ける流れ抵抗を減ずるか、表面にわたる水滴の運動を制御することのいずれかに集中した。最近の別の試みにおいて、ナノ構造またはマイクロ構造を用いて、流体を通して運動する物体が受ける流れ抵抗が減ぜられる。その試みは、参照によりその全体が本明細書に援用される、２００３年８月２７日に出願された、「Method And Apparatus For Reducing Friction Between A Fluid And A Body」という名称の同時係属中の米国特許出願第１０／６４９２８５号に記載される。‘２８５号特許に開示される本発明の実施形態によれば、流体を通って移動する（move）乗り物（vehicle）の表面の一部は、ナノ構造またはマイクロ構造でパタ−ニングされる。そのため、上述した原理によれば、パターニングされた表面にわたる流れ抵抗は減る。同様に上述したように、パターニングされた表面に流体を浸透させることによって、パターニングされた表面にわたる流れ抵抗が減る可能性がある。
米国特許出願第１０／４０３１５９号 米国特許出願第１０／６４９２８５号 米国特許第６，１８５，９６１号 J.KimおよびC.J.Kim著「Nanostructured Surfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistemce in Droplet-based Microfluidics」IEEE Conf. MEMS, Las Vegas, NV, Jan. 2002, pp. 479-482

表面と接触する流体の流れ抵抗を減らす従来の試みは多くの点で有利であるが、本発明者等は、ナノ構造またはマイクロ構造の表面上に配設された流体の浸透の程度を制御することが極めて有利であることに気づいた。

したがって、本発明者等は、第１の例示的な実施形態において、前記表面の１つまたは複数のセル内の少なくとも第１の流体の圧力が所望レベル以下に減少すると、その表面上に配設された液滴が、少なくとも部分的に表面に浸透させられるように、クローズドセル（closed-cell）のナノ構造またはマイクロ構造の表面が用いられる方法および装置を考案した。別の例示的な実施形態において、液体滴が、少なくとも部分的にその元の浸透しない位置に戻るように、１つまたは複数のセル内の圧力が所望のレベル以上に増加する。このように、液滴の表面への浸透は、液体滴が受ける流れ抵抗の所望のレベルを達成するように変えられることができる。

さらに別の実施形態において、クローズドセル構造の特徴部パターンを用いて、表面上に配設された流体の圧力が比較的大きい時でさえも、ナノ構造またはマイクロ構造の表面の浸透が防止される。

上述したように、最近、液体が表面を横切って移動する時に液体が受ける流れ抵抗を減らすために、マイクロ構造およびナノ構造が使用されている。こうした従来のマイクロまたはナノ構造は、多くの形態をとることができる。たとえば、図１Ａ〜１Ｅは、種々の方法を用いて作成された、例示的な従来技術の異なるナノポストの配置を示し、さらに、こうした種々の直径のナノポストが、異なる規則性の程度で作られることができることを示す。これらの図は、種々の距離だけ離れた種々の直径を有するナノポストを作成することが可能であることを示す。ナノポストを作成する例示的な方法は、その全体が参照により本明細書に援用される、Tonucci他に対して２００１年２月１３日に発行された、「Nanopost arrays and process for making same」という名称の米国特許第６，１８５，９６１号に見出される。ナノポストは、ポストを形成するためにテンプレートを用いることによる、リソグラフィの種々の方法による、および、エッチングの種々の方法によるなどの種々の方法により製作されてきた。本明細書で用いられるように、特に指示がなければ、ナノ構造／ナノポストおよびマイクロ構造／マイクロポストという用語は、交換可能に用いられる。本明細書の説明を通して、ナノポストまたはナノ構造の使用に適用された原理は、マイクロポストまたは特徴部パターンのより大きな他の特徴部に同様に適用されることができることを、当業者は認識するであろう。

先に述べたKimの参考資料によって述べられたように、ナノ構造またはマイクロ構造を有する表面上に液滴を置く従来の試みは、液滴が受ける著しく小さい流れ抵抗によって、水滴を各表面上で静止して保つことがほとんど不可能になるため問題となる。図２に示すように、この小さい流れ抵抗の理由は、（表面構造によって決まる）適切な液体滴２０１の表面張力によって、液滴２０１が、液滴と下にある固体表面２０３の間で接触しないで、ナノ構造特徴部パターン２０２の上部に懸垂保持されることが可能になるためである。ナノ構造２０２は、例示的には図２において円筒ポストであるが、円錐ポストなどの多くの適当な幾何学的形状が同様に有利である場合があることに当業者は気づくであろう。例示的に図２に示すように、ナノ構造の上部に液滴を懸垂保持すると、液滴とナノ構造表面２０４の間の著しく小さいエリアの接触となり（すなわち、液滴が各ポスト２０２の頂部と接触している）、したがって、小さい流れ抵抗が生ずる。

図３Ａは、液滴がナノ構造特徴部パターン２０２の上部で懸垂保持されている時の図２の液滴２０１の拡大図である。図２と同様に、図３Ａの液滴は、特徴部パターン２０２に浸透せず、したがって、小さい流れ抵抗を受ける。しかし、図３Ｂは、液滴が、特徴部パターン２０２に実際に浸透する構成における例示的な液滴２０１を示す。液滴２０１が特徴部パターン２０２に浸透すると、液滴は、比較的不動になる、すなわち、液滴は、比較的大きな流れ抵抗を受ける。一般に、液体滴は、たとえば、液体滴の表面張力が十分に小さいと、特徴部パターンに浸透するであろう。したがって、特徴部パターン２０２の特性に依存して、当業者は、こうしたパターン２０２の浸透を容易にする適切な表面張力を有する、液滴２０１用の液体を選択することができるであろう。別法として、本明細書で先に論じられ、参照により援用された、同時係属中の米国特許出願第１０／４０３１５９号に述べるように、種々の方法を用いて、図３Ａに示すように、特徴部パターンの上部に懸垂保持される液滴２０１の表面張力を減らすことができる。

図４Ａおよび４Ｂは、液滴２０１を、ナノ構造特徴部パターンに浸透するようにさせるのに役立つ１つの方法のこうした従来技術の実施形態を示す。図４Ａは、たとえば、特徴部パターン２０２と接触する液滴２０１の図３のエリア３０１を示す。図４Ａを参照すると、液滴２０１は例示的には、導電性液体であり、円錐ナノポストのナノ構造パターン２０２上に配設される。先に述べ、図３Ａに示すように、液滴２０１の表面張力は、液滴２０１が、特徴部パターン２０２の上側部分で懸垂保持されるようなものである。この配置において、液滴２０１のみが、各ナノポストの表面エリアｆ_１を覆う。ナノポストの特徴部パターン２０２は、導電性基体２０３の表面によって支持される。液滴２０１は例示的には、リード線４０２を通して電圧源４０１によって印加される、基体２０３に対する電位差で保持される。

図４Ｂは、低電圧（たとえば、１０〜２０ボルト）を導電性液体滴２０１に印加することによって、電圧差が、液体２０１とナノポストの特徴部パターン２０２の間に生ずる。結果として、液滴２０１の接触角度が減少し、液滴２０１は、ナノポストの表面に沿ってｙ方向に降下し（move down）、液滴が、完全にナノポストのそれぞれを包囲し、基体２０３の上部面と接触するようになるまで、ナノ構造特徴部パターン２０２に浸透する。この構成において、液滴は、各ナノポストの表面エリアｆ_２を覆う。ｆ_２≫ｆ_１であるため、液滴２０１とナノポストの特徴部パターン２０２の間の全体の接触エリアは比較的大きく、したがって、液滴２０１が受ける流れ抵抗は、図４Ａの実施形態より大きい。このため、図４Ｂに示すように、液滴２０１は、特徴部パターン２０２から液滴を取り除くのに十分な別の力がない場合に、ナノ構造特徴部パターンに対して効果的に静止するようになる。

本発明者等は、液体滴を、選択的に特徴部パターンに浸透させることができ、次に、この浸透を選択的に逆戻りさせる（reverse）ことができることが望ましいであろうということに気づいた。図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、パターン５０４に対する液滴５０１のこうした選択的／可逆的な浸透を示す。図５Ａは、基体５０５によって支持されるナノ構造またはマイクロ構造の特徴部パターン５０４上に配設される例示的な液滴５０１を示す。液滴と特徴部パターンの間の接触角度は、θ_１として示される。次に、図５Ｂに示し、先に論じたように、液滴５０１は、特徴部パターン５０４に浸透させられる。液滴が、個々の要素（たとえば、ナノポスト）に沿って基体５０５の方に降下するので、液滴と特徴部パターンの間の接触角度はこの場合、θ_２に増加する。最後に、図５Ｃに示すように、パターン５０４への液滴５０２の浸透を逆戻りさせるのが望ましい。この場合、液滴と特徴部パターンの間の接触角度は、θ_１以下である。本明細書では、例示的に、液滴５０１と特徴部パターン５０４の間の接触角度は、例示的にはθ_１より小さい角度であるθ_３として示される。

図６Ａおよび６Ｂは、図５Ａ〜５Ｃに示す可逆的な浸透を行うことができる、本発明の原理による例示的な特徴部パターンの３次元図および平断面図をそれぞれ示す。具体的には、図６Ａおよび６Ｂが表す本発明の例示的な実施形態において、特徴部パターンは、互いにある距離だけ離れて配置された複数のポストを備えない。代わりに、複数の閉じた（closed）セル、本明細書では６角形断面の例示的なセルが用いられる。本明細書で用いられるように、閉じたセルという用語は、その上に液体が配設されているか、または、配設されるであろう面を除く全ての面で閉囲されているセルとして規定される。同様に有効なクローズドセル配置を達成するのに、他の同様に有利なセル構成および幾何学的形状が可能であることに当業者は気づくであろう。図７Ａおよび７Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂの特徴部パターンの例示的な個々のセルの平断面図である。具体的には、図７Ａを参照すると、それぞれの個々のセル７０１は、幅ｄの最大幅７０２、長さｄ／２の個々の辺の長さ７０３、および、厚みｔの壁厚７０４を特徴とする。図７Ｂを参照すると、セル７０１の高さ７０５は高さｈである。

図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃは、本明細書で断面で示される、図６Ａおよび６Ｂの特徴部パターンと同様な例示的なクローズドセルの特徴部パターンを例示的に用いて、どのように、液体滴８０１が、特徴部パターンに可逆的に浸透するようにされることができるかを示す。具体的には、６角形断面を有するセル７０１などの、特徴部パターン８０４内の各セルは、液体滴が、そのセルの開口を覆うと、完全に閉じたセルである。このため、図８Ａを参照すると、その上に液滴が配設されるこうした閉じたセルはそれぞれ、初期温度Ｔ＝Ｔ_０および初期圧力Ｐ＝Ｐ_０を有する流体を含む。本明細書で用いられるように、流体という用語は、特徴部パターンのセル内に配設されることができるであろう（例示的には空気などの）気体および液体の両方を包含することを意図する。本発明者等は、セル７０１などの個々のセル内の圧力を変えることによって、液体滴８０１が、セル内に引き込まれるか、または、別法として、セルから跳ね返されることができることに気づいた。具体的には、図８Ｂを参照すると、セル７０１内の圧力が、初期圧力（すなわち、Ｐ＜Ｐ_０）を下回るようにされると、特徴部パターンとの液滴の接触角度が、θ_１からθ_２へ増加し、そのセルの上の液滴が、圧力Ｐの減少の大きさに関連する距離だけセル内に引き込まれるであろう。こうした圧力の低下は、例示的には、Ｔ＜Ｔ_０になるようにセル内の流体温度を下げることによって達成されてもよい。こうした温度減少は、例示的には、基体８０５および／または特徴部パターン８０４の温度を下げることによって達成されてもよい。この例示的な実施例において、流体の温度は、よく知られている伝導／対流の原理によって下がることができ、したがって、セル内の圧力が降下するであろう。セル内の流体の温度を下げる任意の他の方法を含んで、セル内の圧力を下げる任意の方法が、同様な結果をもたらすであろうことに当業者は気づくであろう。

図８Ｃは、圧力を、初期圧力Ｐ_０以上に増加させることによって、どうして液滴８０１の浸透を逆戻りさせることが可能であるかを示す。再び、こうした圧力増加は、例示的には、図８Ｃのセル内の流体の温度を、初期温度Ｔ_０を超える温度に変えることによって達成されてもよい。増加した温度は、セル内の圧力を、初期圧力Ｐ_０を超えて増加させるであろう。そのため、液滴と特徴部パターンの要素の間の接触角度は、θ_１より小さいθ_３に変わり、液体はセルの外へ移動するであろう、そのため、液滴８０１を、特徴部パターン８０４との非常に小さい流れ抵抗接触に戻す。再び、セル内の流体の温度を増加させる任意の他の方法を含んで、液滴８０１の浸透を逆戻りさせるための、セル内の圧力を増加させる任意の方法が、同様の結果をもたらすであろうことに当業者は気づくであろう。
図９は、液滴の特徴部パターン内への浸透を達成するために、１２０度の接触角度という進んだ状態（advancement）（図８Ｂのθ_２）を達成するのに必要な温度（Ｔ_{ｔｒａｎｓ}）のグラフ９０４を示す。図９は、１６０ミクロンのセル高さおよび６２ｍＮ／ｍの液滴２面間張力を仮定する。これらの条件を用いて、図９は、セル内の流体の初期温度Ｔ_０について、また、代表的な幅ｄ（プロット９０１、９０２、および９０３で表され、図７Ａおよび７Ｂにおいて寸法７０２として示される）について、それ以下では、液滴が特徴部パターンに浸透すると思われる所与の温度（Ｔ_{ｔｒａｎｓ}）が存在する。たとえば、セルの幅が、グラフ９０４のプロット９０２で示す１５ミクロンであり、かつ、セル内の流体の初期温度Ｔ_０が摂氏６０度である場合、液滴が、プロット９０２上の点９０５で示す約摂氏１５度の遷移温度Ｔ_{ｔｒａｎｓ}以下で特徴部パターンに浸透するようにさせるのに十分に、圧力が降下するであろう。

図１０は、上述した異なるセル幅ｄを表すプロット１００１、１００２、および１００３を有するグラフ１００４を示す。再び、液滴の２面間張力は、６２ｍＮ／ｍであると仮定し、セル高さｈは、１６０ミクロンであると仮定する。図１０は、液滴が特徴部パターンに浸透した後、液滴の浸透を逆戻りさせるために理論的に達成可能な最も小さい接触角度である０度の接触角度（図８Ｂのθ_２）を達成するのに必要な温度変化を示す。たとえば、再び、プロット１００２で示す１５ミクロンのセル幅について、また、摂氏４０度の（特徴部パターンの任意の浸透の前の）初期温度Ｔ_０について、プロット１００２上の点１００５は、セル内の圧力を増加させ、液滴の接触角度を０度に戻し、浸透の完全な逆戻りを達成するのに、約摂氏１１０度の遷移温度が必要であることを示す。異なる接触角度を達成することができ、一般に、浸透を逆戻りさせる場合、遷移温度が低くなることによって、その他全ては同じままで、接触角度が大きくなるであろうことを、当業者は認識するであろう。そのため、多くの異なる温度（Ｔ_０より低い）を用いて、特徴部パターン内に液体が浸透することができ、同様に、多くの異なる温度（Ｔ_０より高い）を用いて、その浸透を逆戻りさせることができる。

そのため、先に論じたことは、特徴部パターンの浸透がどのように達成されることができるか、および、その浸透を選択的にどのように逆戻りさせることができるかを示す。しかし、浸透の逆戻りを容易にすること以外に、本発明者等は、上述したような閉じたセルの特徴部パターンは、他の目的にとって有益であることを認識した。たとえば、こうした特徴部パターンは、液滴がその特徴部パターンに加える圧力が増加する状況が存在しても、特徴部パターンの任意の浸透を実質的に防止するように働くことができる。こうした機能は、たとえば、水中用の乗り物に関して望ましい場合がある。水中用の乗り物に関する上述のオープンセルのナノ構造特徴部パターンの使用は、その全体が参照により本明細書に援用される、２００３年８月２７日に出願された「Method And Apparatus For Reducing Friction Between A Fluid And A Body」という名称の同時係属中の米国特許出願第１０／６４９２８５号の主題である。

‘２８５号出願は、潜水艦または魚雷などの水中用乗り物の上で用いられると、オープンセル（open-celled）のナノ構造特徴部パターンが、例示的に、水中の乗り物の表面にわたって通過する水の流れ抵抗によって生ずる摩擦（抗力）をどのように劇的に減らすかを開示する。しかし、多くの状況において、このように摩擦が減るのは有利であるが、本発明者等は、（特徴部パターンの特性に応じて）水の圧力が一定のしきい値を超えると、水は特徴部パターンに浸透し、おそらく、水中用乗り物に対する抗力を劇的に増加させるであろうことに気づいた。したがって、本発明者等はさらに、水が、比較的高い圧力の存在下にあっても特徴部パターンに浸透しないようにすることが望ましいことに気づいた。

図１１Ａおよび１１Ｂは、本発明の原理による例示的な一実施形態を示し、液体は、液体が比較的高い圧力にある時でさえも特徴部パターンに浸透しないようにされる。図１１Ａを参照すると、各セルが矩形断面を有するナノ構造またはマイクロ構造の特徴部パターンの平面図が示される。各セルは、長さｌ、壁厚ｔ、および幅ｒを有する。図１１Ｂを参照すると、各セルはまた高さｈを有する。例示的に、ｌ＝１０マイクロメートル、ｔ＝０．３マイクロメートル、ｒ＝４マイクロメートル、およびｈ＝０．２５マイクロメートルである。最初は、図１１Ａのセルのそれぞれの内部の圧力は周囲圧力Ｐ_０である。そのため、たとえば、図１１Ａおよび１１Ｂの特徴部パターンが、潜水艦の表面に配設される場合、潜水艦が水の表面を進む時、少なくともセルの部分は、潜水艦を取り巻く空気の初期圧力を有するであろう。しかし、図１１Ｂに例示的に示すように、潜水艦が潜水すると、水は、圧力Ｐ_２を特徴部パターン上に加え始め、そのため、液体とパターンの間の接触角度θが生ずる。結果として得られる接触角度の増加は、相応して、セル内の流体（たとえば、空気）の圧力をＰ_０からＰ_１に増加させるであろう。潜水艦の深さが増え、圧力Ｐ_２が増加するため、接触角度θは増加するであろう。その結果、セル内の圧力Ｐ_１が同様に増加するであろう。特徴部パターン１１０３の特性（たとえば、セルの長さ、高さ、および幅）によって決まるしきい値において、圧力Ｐ_２、したがって、接触角度θは大きくなり過ぎ、水１１０２は、基体１１０１に接触するまで、特徴部パターンに浸透するであろう。図１１Ａおよび１１Ｂの特徴部パターンの場合、したがって、一定の圧力限界まで、それに対して水が特徴部パターンに浸透しないと思われる圧力範囲（潜水艦の例示的な実施例の場合、水の深さに対応する）が存在するであろう。そのため、潜水艦の場合、水中用乗り物は、特徴部パターンの浸透なしで、たとえば、ナノポストのオープンセルの特徴部パターンが用いられた場合よりも深い深さへ潜水できる。結果として、こうした開いたパターンを用いるよりもずっと深い深さまで小さい流れ抵抗が維持されることができる。

図１２は、プロット１２０１、１２０２、および１２０３を有するグラフ１２０４を示し、セルが特定の高さ対幅比（ｈ／ｒ）で規定される時に、図１１Ａおよび１１Ｂの特徴部パターンのセル内の異なる圧力によってどのように具体的な接触角度が生ずるかを示す。たとえば、プロット１２０１は、ｈ／ｒ＝０．１８を有するセルの場合、初期圧力Ｐ_０の２倍である圧力Ｐ_１によって、１２０度の接触角度が生ずるであろうことを示す。プロット１２０２および１２０３は、所与のセル直径について、圧力Ｐ_１の変化がどのように異なる接触角度を生ずるかを示す。当業者は、図１２に示す接触角度以外の異なる接触角度について異なるプロットを作成することが容易にできるであろう。

図１２はまた、グラフ１２０４のエリア１２０５内に入る圧力およびセル寸法の組み合わせの場合、特徴部パターンの表面に浸透しないことをもたらすであろう解決策が存在しないことを示す。そのため、たとえば、任意セル寸法について、周囲圧力Ｐ_０の５倍である圧力Ｐ_１は、特徴部パターンの浸透をもたらすであろう。しかし、こうした圧力を、潜水艦などの水面下の乗り物が日常的に受けているため、著しく大きな圧力について、特徴部パターンの浸透を防止することが望ましい。

図１３Ａおよび１３Ｂは、著しく大きな圧力において特徴部パターンへの水の浸透を防止するであろう例示的なセル構成を示す。図１３Ａに示すように、より大きな圧力に耐えることができる特徴部パターンの平断面図は、図１１Ａの平断面図と同じように見え、実際、その図の実施形態と同じ長さ（ｌ＝１０マイクロメートル）、壁厚（ｔ＝０．３マイクロメートル）、および幅（ｒ＝４マイクロメートル）を有することができる。同様に、図１３Ｂを参照すると、個々のセルの高さは例示的に、図１１Ｂのセルの高さｈ（０．２５ミクロン）と同じである。しかし、図１３Ｂは、図１１Ｂのセルがそうであったように、側断面が矩形である代わりに、１３Ｂのセルは底部が丸く、そのため、各セルは少量の流体（たとえば、空気）を保持することができる。結果として、圧力Ｐ_２が上昇し、セル内の流体を圧縮すると、圧力Ｐ_１は、図１１Ａおよび１１Ｂの実施形態の場合よりも迅速に上昇する。そのため、セルは、液体が、特徴部パターンのセルに浸透する前に、ずっと高い水圧に耐えることができる。

図１４は、プロット１４０１、１４０２、および１４０３を有するグラフを示し、図１３Ａおよび１３Ｂの特徴部パターンのセル内の異なる圧力が、セルが特定の高さ対幅比（ｈ／ｒ）で規定される時に、どのように具体的な接触角度を生ずるかを示す。点１４０５に見ることができるように、約０．１２の高さ対幅比の場合、約１１０度の接触角度が、初期周囲圧力Ｐ_０の５倍の圧力Ｐ_１から生ずるであろう。同様に、点１４０６は、０．１８の少し大きなセル高さ対幅比の場合、１２０度の接触角度が、初期周囲圧力Ｐ_０の６倍の圧力Ｐ_１から生ずるであろうことを示す。実際、１２０度の接触角度は、特徴部パターンの浸透なしで、耐えられることができる圧力Ｐ_１に関して事実上無制限である。したがって、表面の低い流れ特性はそのままに留まり、潜水艦の場合、より大きな水圧／水深でさえも小さな摩擦（抗力）を受け続けるであろう。

上述したことは、本発明の原理を説明するだけである。そのため、当業者は、本明細書において明示的に述べられまたは示されてはいないが、本発明の原理を具体化し、本発明の精神および範囲内にある種々の構成を考案することができるであろう。さらに、本明細書における種々の実施形態の説明に照らして、本発明の原理は、広く本質的に異なる分野および応用において利用されることができることを、当業者は認識するであろう。たとえば、本明細書において明示的には述べていないがエンエンボス加工、打ち抜き加工、印刷加工などのような、ナノ構造またはマイクロ構造を作成する他のよく知られている方法を用いることができるであろうことを当業者は認識するであろう。

本発明の態様および実施形態を引用する本明細書における全ての説明ならびに本発明の特定の実施例は、本発明の機能的な等価物を包含することを意図する。さらに、本明細書において引用される全ての実施例および制限付きの言語は、本発明の原理を理解する時に読者の役に立つ教育的な目的だけのためであることを明白に意図し、こうした具体的に引用した実施例および条件に限定しないように解釈されるべきである。たとえば、先の実施形態の説明は、ナノ構造またはマイクロ構造の表面上に配設された液滴を論じることに限定されるが、先の実施形態は、表面を横切る任意の液体の流れまたは液体を通した表面の移動を包含することが意図されることを、当業者はすぐに認識するであろう。さらに、圧力の変化が、特徴部パターンに液体が浸透するようにさせるのに用いられることが論じられているが、液滴の表面張力が降下するようにさせるなどの、こうした浸透を行わせる従来の方法が同様に有利であるであろうことを、当業者は認識するであろう。

また、先に記載した原理に照らして、特徴部パターンの浸透を防止することができることから、または、こうした浸透を逆戻りさせることから利益を得ることができるであろう多くの異なる応用を考案することができるであろう。最後に、液体の特徴部パターン内への浸透およびその浸透を逆戻りさせることは、閉じたセル内の流体の温度を増加または減少させることではなくて他の手段にとって達成されてもよい。たとえば、空気がセルへ／から入れられる／出されることができ、そのため、これらのセル内の圧力が、それぞれ、増加／減少する。

Ａ〜Ｅは、本発明において用いるのに適した予め画定されたナノ構造から成る種々の従来技術のナノ構造の特徴部パターンの１つの特徴部パターンを示す図である。 液体滴が、ナノ構造またはマイクロ構造の特徴部パターン上に配設される、例示的な従来技術のデバイスを示す図である。 図３のナノ構造の特徴部パターン上に懸垂保持される図２Ａの液体滴を示す図である。 図３のナノ構造の特徴部パターンに浸透するようにさせられる図４Ａの液体滴を示す図である。 エレクトロウェッティング（electrowetting）の原理を用いて、液体滴が、ナノ構造パターンに浸透させられる、例示的な従来技術のデバイスを示す図である。 エレクトロウェッティングの原理を用いて、液体滴が、ナノ構造パターンに浸透させられる、例示的な従来技術のデバイスを示す図である。 液滴が、ナノ構造の特徴部パターンの上部に懸垂保持される初期位置に配設されている、本発明の原理によるデバイスを示す図である。 液滴が、特徴部パターンに浸透するようにさせられる、本発明の原理によるデバイスを示す図である。 液滴がその後、特徴部パターンの上部に懸垂保持される位置に戻るようにさせられる、本発明の原理によるデバイスを示す図である。 本発明の原理による例示的な閉じたセル構造を示す図である。 本発明の原理による例示的なクローズドセル構造を示す図である。 ＡおよびＢは、図６Ａおよび６Ｂの例示的な構造内の１つのセルの詳細を示す図である。 液滴が、ナノ構造の特徴部パターンの上部に懸垂保持される初期位置に配設されている、本発明の原理によるデバイスを示す図である。 液滴が、特徴部パターンに浸透するようにさせられる、本発明の原理によるデバイスを示す図である。 液滴がその後、特徴部パターンの上部に懸垂保持される位置に戻るようにさせられる、本発明の原理によるデバイスを示す図である。 閉じたセルの初期温度およびセルのサイズｄの関数としての、図５Ａのデバイスから図５Ｂのデバイスへの移行を行うのに必要な閉じたセルの流体温度のグラフである。 閉じたセルの初期温度およびセルのサイズｄの関数としての、図５Ａのデバイスから図５Ｂのデバイスへの移行を行うのに必要な閉じたセルの流体温度のグラフである。 ＡおよびＢは、本発明の原理によるクローズドセル構造の別の実施形態を示す図である。 図１１Ａおよび１１Ｂの実施形態についての圧力対セル寸法のグラフである。 ＡおよびＢは、本発明の原理によるクローズドセル構造の別の実施形態を示す図である。 図１１Ａおよび１１Ｂの実施形態についての圧力対セル寸法のグラフである。

Claims (10)

1. ナノ構造またはマイクロ構造の表面上で液体が受ける流れ抵抗を制御する装置において、
   少なくとも第１の表面を有する基体と、
   少なくとも前記第１の表面上の所定の特徴部パターンであって、前記特徴部パターンは複数の閉じたセルを有し、前記複数の閉じたセルの各々は液体が配設されうる開いた側を除く全ての面で閉囲されており、かつ前記複数の閉じたセルは前記ナノ構造またはマイクロ構造の表面を形成する特徴部パターンと、
   前記複数のセル上に配置されうる液体のうちの選択された液体の、前記特徴部パターン前記構造の表面への浸透及び浸透の逆戻りの程度を変えるために、複数のセル内に配設された少なくとも第１の流体の圧力を変える手段を与える構造とを備えることを特徴とする液体が受ける流れ抵抗を制御する装置。
2. 前記複数のセルは前記ナノ構造の表面を形成し、前記ナノ構造の表面の各セルは１ミリメートルより小さい少なくとも第１の寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記複数のセルは前記ナノ構造の表面を形成し、前記ナノ構造の表面の各セルは、１ミクロンより小さい少なくとも第１の寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の流体の圧力を変える前記手段は、前記第１の流体の温度を変える手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の流体の圧力を変える前記手段は、可変量の前記流体を前記セルへおよび前記セルから、それぞれ、注入および除去する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の流体の圧力を変える前記手段は、前記液体の圧力が変わると、前記流体の圧力が変わるように、前記特徴部パターン上に配設された液体を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. ナノ構造またはマイクロ構造の表面上で液体が受ける流れ抵抗を制御する方法であって、前記表面が特徴部パターンを有し、前記特徴部パターンが複数の閉じたセルを備え、前記制御する方法が、
   液体を前記複数の閉じたセルと接触するように配置し、前記複数の閉じたセルの各々は液体が接触しうる開いた側を除く全ての面で閉囲されており、かつ前記複数の閉じたセルは前記ナノ構造またはマイクロ構造の表面を形成する工程、及び
   前記複数の閉じたセルのうちの少なくとも１つのセルの少なくとも第１の流体の圧力を、前記セルと接触する液体が少なくとも一つのセルに出入りするように変化させる工程を含むことを特徴とする液体が受ける流れ抵抗を制御する方法。
8. 前記圧力は、前記少なくとも１つのセル内で流体の温度を変化させることによって変化する請求項７に記載の方法。
9. 前記ナノ構造またはマイクロ構造の表面を形成する前記複数の閉じたセル内の各セルは、１ミリメートル未満の少なくとも第１の寸法を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記ナノ構造またはマイクロ構造の表面を形成する前記複数の閉じたセル内の各セルは、１ミクロン未満の少なくとも第１の寸法を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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