JP3224842B2 - 粒子動態の制御方法 - Google Patents

粒子動態の制御方法

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JP3224842B2 JP04484792A JP4484792A JP3224842B2 JP 3224842 B2 JP3224842 B2 JP 3224842B2 JP 04484792 A JP04484792 A JP 04484792A JP 4484792 A JP4484792 A JP 4484792A JP 3224842 B2 JP3224842 B2 JP 3224842B2
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/28Treatment by wave energy or particle radiation
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  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Thermal Transfer Or Thermal Recording In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、粒子動態の制御方法
に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、ポ
リマー微粒子の生成、修飾加工や、そのスイッチング素
子、三次元メモリー等への応用が可能な、光誘起相転移
の利用による新しい粒子動態の制御方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術とその課題】近年、物理化学、生物化学、
電子技術等の諸分野において、微細加工、微細構造の制
御、さらには生物細胞から無機物、有機物までのミクロ
ン、サブミクロンオーダーでの物質の改変、加工修飾の
技術が検討されてきており、実用的にも優れた手法や構
造が具体化してきている。
【0003】このような技術の一つの領域として微粒子
の生成と、その動態パターンの制御があり、今後の革新
技術の創製において注目されるべきものとなっている。
この発明の発明者は、このような粒子の生成とその制御
に関する諸現象に注目し、新しい技術的地平を切拓くべ
く鋭意検討を進めてきた。この過程において注目した現
象の一つが、ポリマー溶液における相転移であった。こ
の相転移は、たとえば、ポリ(N−イソプロピルアクリ
ルアミド)水溶液を31℃以上の温度に保つと相転移が
生じ、ポリマーのサブミクロンオーダーの微粒子やそれ
らの不均一な凝集体が生成する等の現象として知られて
いるものである。固液相関の相転移の現象である。
【0004】しかしながら、この相転移の現象は科学的
興味の対象として知られてはいたが、サブミクロンオー
ダーの微粒子やその不均一凝集体しか生成しないため、
これを技術として発展させるには限界があった。また、
この相転移を利用して粒子操作しようとすることも従来
技術では不可能であり、この操作を可能にしようとする
試みもほとんどなかった。
【0005】だが、このような固液相の相転移現象は、
微粒子の生成、操作の可能性を示唆しているものである
との観点から、この発明の発明者は、その生成、そして
操作を再現性よく、しかも高選択的に可能とするための
手段を開発すべく検討を進めてきた。この発明は、以上
の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来のポリ
マー溶液の相転移に関する知見を踏まえつつ、より技術
的に高度な操作として微粒子の動態制御を可能とする新
しい方法を提供することを目的としている
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、ポリマー溶液にレーザー光
射してポリマー溶液に相転移を生じさせ、焦点域に固形
ポリマー粒子を生成させるとともに、生成した固形ポリ
マー粒子をレーザー光により捕捉することを特徴とする
粒子動態の制御方法を提供し、また、この捕捉した粒子
を、空間移動させることや、加工修飾すること、さらに
は、レーザー光照射の停止によってこの微粒子を消失さ
せること等を可能とする、新しい粒子動態の制御方法を
提供する。
【0007】すなわち、この発明は、レーザー光照射に
よってポリマー溶液に相転移を生じさせ、生成した粒子
の操作を行うことを特徴としている。この方法において
は、従来の相転移の場合とは本質的に相違して、ミクロ
ンオーダー等の単一(均一)な粒子を光の焦光点域に選
択的に生成させ、そしてこの生成した粒子の光操作を可
能としている。この発明における相転移は、光誘起相転
移と呼ぶべきものといえる。
【0008】対象となるポリマーについては、たとえ
ば、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルメチルオキ
サゾリディノン、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミ
ド)等のいわゆる熱相転移を生じる任意のもの、さらに
は、光増感性の相転移性ポリマー等の各種のものが選ば
れる。その溶液を構成する媒体についても、水、塩水溶
液、アルコール、エーテル、グリコール等の有機溶媒の
各種のものが選ばれる。
【0009】レーザー光照射システムについても、また
レーザー光による捕捉や、加工装飾についても、これま
でに提案されている様々な態様のものが採用される。そ
こで、以下実施例を示し、さらに詳しくこの発明の粒子
動態の制御方法について説明する。
【0010】
【実施例】実施例1 ポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(PNIPA
M)を以下の条件で合成した。すなわち、N−イソプロ
ピルアクリルアミド1.4g、過硫酸アンモニウム0.
1g、N,N,N′,N′−テトラエチルエチレンジア
ミン100μl、および水100mlを用い、30℃で
8時間反応させた。精製にはエタノールを添加し、ポリ
マーの析出した状態でデカンテーションを3回繰り返し
た。
【0011】粘度測定より、分子量はおよそ1.1〜
1.9×105 と推定された。そして、このPNIPA
M水溶液はおよそ1.8〜4.0wt%の濃度に調製し
たものを用いた。レーザー光照射の光学系はトラッピン
グの場合と同一のものを用いた。 1)そして、レーザー光を照射したところ、レーザー光
の焦点位置に、サブミクロン(顕微鏡で存在が確認でき
る大きさ)〜10μm程度の単一粒子が析出し、トラッ
ピングされることが確認された。
【0012】図1〜図4は、20℃の温度で、レーザー
パワー1.4Wの場合の、レーザー光照射時間(秒)
が、0、0.2 10および30秒後の粒子生成の状況
を示した写真図である。 2)生成する粒子の平衡の粒径とレーザー光強度(対物
レンズ下)、室温、ポリマー濃度の関係を示したのが図
5である。これより、室温が同じ場合レーザーパワーの
大きい方が粒径が大きくなること、室温が高いと小さい
レーザーパワーで粒子ができること、濃度が低いと大き
いレーザーパワーを必要とすることがわかる。このこと
より、レーザー強度の選択によって粒径制御できること
がわかる。実施例2 実施例1と同様にして、 ポリマー濃度 3.6wt% レーザー強度 1.2W 気温 20°C の条件下でのレーザー照射において微粒子析出の状況を
観察した。
【0013】図6は、0〜100秒までのレーザー照
射、100〜110秒までのレーザー照射の停止、およ
び110〜160秒までのレーザー照射の過程(時間)
と、粒径(μm)との関係を示したものである。また、
図7は、0〜1秒の間の粒子の生成の過程を粒径の変化
として示しており、また、図8は、レーザー光照射の停
止後0〜1秒の間の粒子の消失過程を粒径の変化として
示している。
【0014】これらの図から、粒子の析出、消失は非常
に高速であることがわかる。100msec程度で析出しそ
の後ゆっくりと半径変化してゆく。また、レーザー光を
切った場合、粒子は速やかに消失するがレーザーを切っ
た直後に再度照射すると、直ちに平衡半径に回復する。
なお、他種の粒子として、あらかじめ、1μm径のPM
MAラテックスを混在させてレーザー光照射したが、こ
の場合にも粒子は析出し、レーザー光によって捕捉され
た。
【0015】実施例3 アニリノナフタレンスルフォン酸(ANS)を2x10
-4M添加したポリマー溶液が、通常の温度による相転移
で蛍光スペクトルが変わることを見いだした上で、実施
例1と同様にしてレーザー光照射した。顕微鏡下での粒
子形成にともない同様の変化があるかどうかを評価し
た。
【0016】蛍光測定については、ポリマー水溶液にA
NSを添加した試料を10mm角セルに入れ、温度を変
えながら蛍光分光器で測定したものと、顕微鏡下で35
5nmのパルスレーザーを照射しSMAで測定したもの
との2種類の評価とした。図6および図7に通常の蛍光
分光光度で測定した相転移温度以下(30℃)と相転移
温度以上(32℃)の蛍光スペクトルの変化を示した。
ピーク波長が520nm程度から470nm程度に大き
くシフトし、高温では疎水性が増していることが分か
る。蛍光強度は相転移と同時に白濁する。正確には比較
できないが、数十倍高くなった。
【0017】一方顕微鏡下での蛍光スペクトルについて
は、図8に1064nmのレーザー光を照射しない時、
図9にレーザー光照射下での粒子を形成しているときの
ものを示した。ポリマー濃度によらず、温度による相転
移と同様のピーク波長シフトが観測され、強度も大きく
変化した。また、他の測定からピーク波長は1064n
mのレーザー光強度、色素濃度にも依存せずほぼ同様の
値となることがわかった。
【0018】このことから、レーザー光照射下での変化
は温度による相転移とほぼ同様の現象であることが示唆
された。蛍光強度については、基本的に、 他の条件が同じでポリマー濃度を変えた場合、ポリ
マー濃度の低い方(粒子形は小さくなる)が蛍光強度は
弱い、(図9参照) 1064nmのレーザー光強度を変えた場合、強度
の弱い方(粒子径が小さくなる)が蛍光強度は弱い、 色素濃度が低い方が蛍光強度は弱い、 という傾向があった。これにより、発光強度の制御もこ
の発明の方法において可能となることが確認された。
【0019】参考例 1064nmに吸収を持たない重水にポリマーを溶解さ
せて実施例1と同様にして比較実験を行った。ポリマー
濃度3.6wt%、室温20℃、レーザー光強度1.4
3W(水なら9μm程度の粒子ができる条件)でも何等
変化はみられず、ポリマー粒子の生成は観測されしなか
った。このため、この発明における相転移は、水の発熱
に基づいていることが確認された。
【0020】実施例4 実施例1によって生成、トラップしたポリマー粒子につ
いて、レーザー光照射の焦点を動かしたところ、その移
動に沿って粒子の空間移動が可能となった。また、移動
させた粒子に加工用パルスレーザー光を照射したとこ
ろ、粒子の局部破壊が生じたが、時間の経過とともに元
の状態に戻った。この破壊と復帰の現象には、微粒子の
復帰への利用可能性が示唆されている。
【0021】トラップした二つの粒子を接触させたる
と、この二つの粒子の接合も生じる。もちろん、以上の
例に限定されることなく、この発明によってさらに様々
な制御操作が可能となる。たとえば1064nmのレー
ザー光に限られることなく、他波長のレーザー光を使用
し、この波長を吸収して発熱する化合物を溶媒、添加
物、ポリマー等として用いることで、この発明の方法は
可能となる。
【0022】また、ピレン等の疎水物をドープした油滴
あるいは、疎水物の結晶をポリマー溶液中分散させてお
きレーザー相転移により疎水性にしたトラッピング粒子
を油滴あるいは結晶と接触させる場合、粒子にピレン等
の疎水物がドーピングされる。この粒子を別の場所に移
動させても中の疎水物が容易に粒子外に出ないと考えれ
ば、粒子径を変えた場合疎水濃度が変わると考えられ
る。
【0023】また、この発明によって、光照射のON−
OFFによる粒子の生成消滅の現象を利用し、スイッチ
ング素子、三次元メモリー等への応用を図ることもでき
る。
【0024】
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明したよ
うに、光誘起相転移によってポリマー粒子の生成とその
操作が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】ポリマー溶液へのレーザー光照射0秒時の粒子
構造の形成を表している図面に代わる写真である。
【図2】0.2秒後の粒子構造を表している図面に代わ
る写真である。
【図3】10秒後の粒子構造を表している図面に代わる
写真である。
【図4】30秒後の粒子構造を表している図面に代わる
写真である。
【図5】レーザー光強度と粒径との相関図である。
【図6】レーザー照射と粒子生成を示した時間・粒子相
関図である。
【図7】0〜1秒の照射について示した時間・粒径相関
図である。
【図8】レーザー照射停止後0〜1秒の時間・粒径相関
図である。
【図9】蛍光スペクトル図である。
【図10】蛍光スペクトル図である。
【図11】レーザー光照射時の蛍光スペクトル図であ
る。
【図12】蛍光スペクトル図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−210231(JP,A) 特開 平4−354532(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 19/00 - 19/32

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポリマー溶液にレーザー光照射して
    リマー溶液に相転移を生じさせ、焦点域に固形ポリマー
    粒子を生成させるとともに、生成した固形ポリマー粒子
    をレーザー光によって捕捉することを特徴とする粒子動
    態の制御方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の方法により捕捉した粒子を空
    間移動させることを特徴とする粒子動態の制御方法。
  3. 【請求項3】 請求項2の方法により捕捉した粒子を
    工修飾することを特徴とする粒子動態の制御方法。
  4. 【請求項4】 請求項1、2または3の方法により制御
    した粒子をレーザー光照射の停止により消失させること
    を特徴とする粒子動態の制御方法。
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